Ácidos nucleicos: características, funções, estrutura

Os ácidos nucleicos são grandes biomoléculas formados por unidades ou monómeros chamados nucleotídeos. Eles são responsáveis ​​pelo armazenamento e transmissão de informações genéticas. Eles também participam de cada uma das etapas da síntese de proteínas.

Estruturalmente, cada nucleotídeo é formado por um grupo fosfato, um açúcar com cinco carbonos e uma base heterocíclica de nitrogênio (A, T, C, G e U). No pH fisiológico, os ácidos nucleicos são carregados negativamente, são solúveis em água, formam soluções viscosas e são bastante estáveis.

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Fonte: pixabay.com

Existem dois tipos principais de ácidos nucleicos: DNA e RNA. A composição de ambos os ácidos nucleicos é semelhante: em ambos encontramos uma série de nucleotídeos ligados por ligações fosfodiéster. No entanto, no DNA encontramos timina (T) e no uracil RNA (U).

O DNA é mais longo e está em conformação de dupla hélice e o RNA é formado por uma única fita. Essas moléculas estão presentes em todos os organismos vivos, desde vírus a grandes mamíferos.

Perspectiva histórica

Descoberta de ácidos nucleicos

A descoberta de ácidos nucléicos remonta a 1869, quando Friedrich Miescher identificou cromatina. Em seus experimentos, Miescher fez a extração de um material de consistência gelatinosa do núcleo e descobriu que essa substância era rica em fósforo.

Inicialmente, o material de natureza misteriosa foi designado como “nucleina”. Experiências posteriores com nuclein concluíram que ele não é apenas rico em fósforo, mas também em carboidratos e bases orgânicas.

Phoebus Levene descobriu que a nucleina era um polímero linear. Embora as propriedades químicas básicas dos ácidos nucléicos sejam conhecidas, não se considerou que houvesse uma relação entre esse polímero e o material hereditário dos seres vivos.

Descoberta da função do DNA

Em meados dos anos 40, na época não era convincente para os biólogos que a molécula responsável por transmitir e armazenar as informações de um organismo residisse em uma molécula com uma conformação tão simples quanto o DNA – composta por quatro monômeros muito parecidos (nucleotídeos) um ao outro.

As proteínas, polímeros compostos por 20 tipos de aminoácidos, pareciam ser os candidatos mais plausíveis para a época a molécula de herança.

Essa visão mudou em 1928, quando o pesquisador Fred Griffith suspeitou que o nuclein estivesse envolvido na herança. Finalmente, em 1944, Oswald Avery conseguiu concluir com fortes evidências de que o DNA continha a informação genética.

Assim, o DNA deixou de ser uma molécula monótona e monótona, consistindo em apenas quatro blocos estruturais, para uma molécula que permite o armazenamento de um imenso número de informações e que pode preservá-lo e transmiti-lo de maneira precisa, precisa e eficaz.

Descoberta da estrutura do DNA

O ano de 1953 foi revolucionário para as ciências biológicas, pois os pesquisadores James Watson e Francis Crick elucidaram a estrutura correta do DNA.

Com base na análise dos padrões de reflexão dos raios X, os resultados de Watson e Crick sugeriram que a molécula é uma hélice dupla, onde os grupos fosfato formam um esqueleto externo e as bases são projetadas no interior.

Geralmente é usada a analogia de uma escada, onde os corrimãos correspondem aos grupos fosfato e os passos para as bases.

Descoberta de sequenciamento de DNA

Nas últimas duas décadas, houve avanços extraordinários na biologia, liderados pelo seqüenciamento de DNA. Graças aos avanços tecnológicos, hoje temos a tecnologia necessária para conhecer a sequência de DNA com uma precisão bastante alta – por “sequência” queremos dizer a ordem das bases.

Inicialmente, elucidar a sequência era um evento caro e exigia muito tempo para ser concluído. Atualmente, não é um problema conhecer a sequência de genomas inteiros.

Caracteristicas

Carga e solubilidade

Como o nome indica, a natureza dos ácidos nucleicos é ácida e são moléculas com alta solubilidade em água; isto é, eles são hidrofílicos. No pH fisiológico, a molécula é carregada negativamente, devido à presença de grupos fosfato.

Como conseqüência, as proteínas às quais o DNA está associado são ricas em resíduos de aminoácidos com cargas positivas. A associação correta do DNA é crucial para o seu empacotamento nas células.

Viscosidade

A viscosidade do ácido nucleico depende se é de banda dupla ou única. O DNA de banda dupla forma soluções de alta viscosidade, pois sua estrutura é rígida, opondo resistência à deformação. Além disso, são moléculas extremamente longas em relação ao seu diâmetro.

Em contraste, também existem soluções de ácido nucleico de banda única, que são caracterizadas por uma viscosidade reduzida.

Estabilidade

Outra característica dos ácidos nucleicos é a sua estabilidade. Naturalmente, uma molécula com um trabalho indispensável como o armazenamento da herança deve ser muito estável.

Comparativamente, o DNA é mais estável que o RNA, pois não possui um grupo hidroxila.

É possível que essa característica química tenha tido um papel importante na evolução dos ácidos nucleicos e na escolha do DNA como material hereditário.

De acordo com as transições hipotéticas colocadas por alguns autores, o RNA foi substituído pelo DNA na evolução evolutiva. No entanto, hoje existem alguns vírus que usam o RNA como material genético.

Absorção de luz ultravioleta

A absorção de ácidos nucleicos também depende se é em banda dupla ou em banda única. O pico de absorção dos anéis em sua estrutura é de 260 nanômetros (nm).

À medida que a fita de DNA de fita dupla começa a se separar, a absorção no comprimento de onda mencionado aumenta, à medida que os anéis que compõem os nucleotídeos são expostos.

Esse parâmetro é importante para os biólogos moleculares em laboratório, pois medindo a absorção, eles podem estimar a quantidade de DNA existente em suas amostras. Em geral, o conhecimento das propriedades do DNA contribui para sua purificação e tratamento em laboratórios.

Classificação (tipos)

Os dois principais ácidos nucleicos são DNA e RNA. Ambos são componentes de todos os seres vivos. DNA significa ácido desoxirribonucleico e RNA, ácido ribonucleico. Ambas as moléculas têm um papel fundamental na herança e síntese de proteínas.

O DNA é a molécula que armazena todas as informações necessárias para o desenvolvimento de um organismo e é agrupado em unidades funcionais chamadas genes. O RNA é responsável por obter essas informações e, em conjunto com os complexos de proteínas, traduz as informações de uma cadeia de nucleotídeos para uma cadeia de aminoácidos.

As cadeias de RNA podem ter comprimentos de algumas centenas ou milhares de nucleotídeos, enquanto as cadeias de DNA excedem milhões de nucleotídeos e podem ser visualizadas à luz de um microscópio óptico, se forem coradas com corantes.

As diferenças estruturais básicas entre as duas moléculas serão detalhadas na seção a seguir.

RNA

Nas células, existem diferentes tipos de RNA que, juntos, trabalham para orquestrar a síntese de proteínas. Os três principais tipos de RNA são messenger, ribossômico e de transferência.

RNA mensageiro

O RNA mensageiro é responsável por copiar a mensagem que existe no DNA e transportá-la para a síntese protéica que ocorre em estruturas chamadas ribossomos.

RNA ribossômico ou ribossômico

O RNA ribossômico faz parte desse mecanismo essencial: o ribossomo. Do ribossomo, 60% é formado pelo RNA do ribossomo e o restante é ocupado por quase 80 proteínas diferentes.

RNA de transferência

O RNA de transferência é um tipo de adaptador molecular que transporta aminoácidos (os blocos estruturais das proteínas) para o ribossomo a ser incorporado.

RNA pequeno

Além desses três tipos básicos, há um número de RNAs adicionais que foram descobertos recentemente e têm um papel essencial na síntese de proteínas e na expressão de genes.

Pequenos RNAs nucleares, abreviados como snRNA, participam como entidades catalíticas na emenda (um processo que envolve a remoção de íntrons) do RNA mensageiro.

Pequenos RNAs nucleolares ou snoRNAs estão envolvidos no processamento de transcritos de RNA pré-ribossômico que farão parte da subunidade do ribossomo. Isso ocorre no nucléolo.

RNAs interferentes curtos e microRNAs são pequenas seqüências de RNA cujo papel principal é a modulação da expressão gênica. Os microRNAs são codificados a partir do DNA, mas não continuam sua tradução em proteínas. Eles são de cadeia simples e podem complementar o RNA de uma mensagem, inibindo sua tradução em proteínas.

Estrutura e composição química

Os ácidos nucléicos são longas cadeias de polímeros formados a partir de unidades monoméricas chamadas nucleotídeos. Cada um é composto por:

Um grupo fosfato

Existem quatro tipos de nucleotídeos e estes possuem uma estrutura comum: um grupo fosfato ligado a uma pentose por meio de uma ligação fosfodiéster. A presença de fosfatos confere à molécula um caráter ácido. O grupo fosfato é dissociado no pH da célula, por isso é carregado negativamente.

Essa carga negativa permite a associação de ácidos nucléicos com moléculas cuja carga é positiva.

Dentro das células e também em fluidos extracelulares, podemos encontrar pequenas quantidades de nucleósidos. Estas são moléculas formadas por todos os componentes de um nucleotídeo, mas que não possuem grupos fosfato.

De acordo com esta nomenclatura, um nucleotídeo é um nucleosídeo que possui um, dois ou três grupos fosfato esterificados no hidroxil localizado no carbono 5 ‘. Os nucleossídeos com três fosfatos estão envolvidos na síntese de ácidos nucleicos, embora também cumpram outras funções na célula.

A pentosa

Uma pentose é um carboidrato monomérico formado cinco átomos de carbono. No DNA, a pentose é uma desoxirribose, caracterizada pela perda de um grupo hidroxila no carbono 2 ‘. No RNA, a pentose é uma ribose.

Uma base nitrogenada

A pentose, por sua vez, está ligada a uma base orgânica. A identidade nucleotídica é fornecida pela identidade da base. Existem cinco tipos, abreviados pela inicial: adenina (A), guanina (G), citosina (C), timina (T) e uracil (U).

É comum que na literatura descobrimos que eles usam essas cinco letras para se referir a todo o nucleotídeo. No entanto, estritamente falando, estes são apenas parte do nucleotídeo.

Os três primeiros, A, G e C, são comuns ao DNA e ao RNA. Enquanto T é único no DNA e o uracil é restrito à molécula de RNA.

Estruturalmente, as bases são compostos químicos heterocíclicos, cujos anéis são compostos de moléculas de carbono e nitrogênio. A e G são formados por um par de anéis fundidos e pertencem ao grupo de purinas. As demais bases pertencem às pirimidinas e sua estrutura é formada por um único anel.

É comum que ambos os tipos de ácidos nucleicos encontrem uma série de bases modificadas, como um grupo metil adicional.

Quando esse evento ocorre, dizemos que a base está metilada. Em procariontes, adeninas metiladas são geralmente encontradas e em procariontes e eucariotos as citosinas podem ter um grupo metil adicional.

Como ocorre a polimerização?

Como mencionamos, os ácidos nucléicos são longas cadeias formadas por monômeros – nucleotídeos. Para formar as cadeias, elas estão ligadas de uma maneira particular.

Quando os nucleotídeos polimerizam, o grupo hidroxila (-OH) encontrado no carbono 3 ‘do açúcar de um dos nucleotídeos forma uma ligação do tipo éster com o grupo fosfato de outra molécula de nucleotídeo. Durante a formação dessa ligação, ocorre a remoção de uma molécula de água.

Esse tipo de reação é chamado de “reação de condensação” e é muito semelhante ao que ocorre quando as ligações peptídicas das proteínas são formadas entre dois resíduos de aminoácidos. As ligações entre cada par de nucleotídeos são chamadas ligações fosfodiéster .

Assim como os polipeptídeos, as cadeias de ácidos nucleicos têm duas orientações químicas em suas extremidades: uma é a extremidade 5 ‘que contém um grupo hidroxila livre ou um grupo fosfato de carbono 5’ do açúcar terminal, enquanto na extremidade 3 ´ encontramos um grupo hidroxila de carbono livre 3x.

Imagine que cada bloco de DNA é um bloco do jogo Lego, com uma extremidade inserida e um orifício livre, onde a inserção de outro bloco pode ocorrer. A extremidade 5 ‘com o fosfato será a extremidade a ser inserida e a extremidade 3’ é análoga ao orifício livre.

Outros nucleotídeos

Na célula, encontramos outro tipo de nucleotídeo com uma estrutura diferente da mencionada acima. Embora estes não façam parte dos ácidos nucleicos, eles desempenham papéis biológicos muito importantes.

Entre os mais relevantes estão o mononuclídeo de riboflavina, conhecido como FMN, coenzima A, dinucleotídeo de adenina e nicotinamina, entre outros.

Estrutura de RNA

A estrutura linear do polímero de ácido nucleico corresponde à estrutura primária dessas moléculas. Os polinucleotídeos também têm a capacidade de formar arranjos em três dimensões estabilizadas por forças não covalentes – semelhantes às dobras encontradas nas proteínas.

Embora a composição primária de DNA e RNA seja bastante semelhante (com exceção das diferenças mencionadas acima), a conformação de sua estrutura é marcadamente diferente. Geralmente, encontramos RNAs como uma única cadeia nucleotídica, embora possa tomar diferentes arranjos.

Os RNAs de transferência, por exemplo, são pequenas moléculas formadas por menos de 100 nucleotídeos. Sua estrutura secundária típica é na forma de um trevo com três braços. Ou seja, a molécula de RNA encontra bases complementares no interior e pode se dobrar.

Os RNAs ribossômicos são moléculas maiores que recebem conformações tridimensionais complexas e possuem estrutura secundária e terciária.

Estrutura de DNA

Hélice dupla

Ao contrário do RNA linear, o arranjo do DNA consiste em duas cadeias entrelaçadas. Essa diferença estrutural é crucial para o desempenho de suas funções específicas. O RNA não é capaz de formar esse tipo de hélice devido a um impedimento estérico imposto pelo grupo OH adicional que apresenta seu açúcar.

Complementaridade básica

Entre as bases, há complementaridade. Ou seja, como conseqüência de seu tamanho, forma e composição química, as purinas devem ser combinadas com uma pirimidina por ligações de hidrogênio. Portanto, no DNA natural, descobrimos que A quase sempre está emparelhado com T e G com C, formando ligações de hidrogênio com seus parceiros.

Os pares de bases entre G e C são ligados por três ligações de hidrogênio, enquanto o par A e T é mais fraco, e apenas duas ligações de hidrogênio as mantêm unidas.

As cadeias de DNA podem ser separadas (isso ocorre tanto na célula quanto nos procedimentos de laboratório) e o calor necessário depende da quantidade de GC que a molécula possui: quanto maior, mais energia será necessária para separá-la.

Orientação da linha

Outra característica do DNA é a sua orientação oposta: enquanto um fio corre na direção 5′-3 ‘, seu parceiro está na direção 3’ – 5 ‘.

Conformações naturais e laboratoriais

A estrutura ou conformação que normalmente encontramos na natureza é chamada DNA B. É caracterizada por ter 10,4 nucleotídeos por turno, separados por uma distância de 3,4. O DNA B vira para a direita.

Esse padrão de enrolamento resulta na aparência de duas ranhuras, uma maior e outra menor.

Nos ácidos nucléicos formados em laboratório (sintéticos), outras conformações podem ser encontradas, que também aparecem em condições muito específicas. Estes são o DNA A e o DNA Z.

A variante A também faz a curva à direita, embora seja mais curta e um pouco mais larga que a curva natural. A molécula adquire essa forma quando a umidade diminui. Gire a cada 11 pares de bases.

A última variante é o Z, caracterizado por ser estreito e virar à esquerda. É formado por um grupo de hexanucleotídeos que são agrupados em um duplex de cadeias antiparalelas.

Funções

DNA: molécula de herança

O DNA é uma molécula que pode armazenar informações. A vida, como a conhecemos em nosso planeta, depende da capacidade de salvar e traduzir essas informações.

Para a célula, o DNA é um tipo de biblioteca onde são encontradas todas as instruções necessárias para a fabricação, desenvolvimento e manutenção de um organismo vivo.

Na molécula de DNA, encontramos uma organização de entidades funcionais discretas chamadas genes. Alguns deles serão levados à proteína, enquanto outros desempenharão funções reguladoras.

A estrutura do DNA descrita na seção anterior é essencial para desempenhar suas funções. A hélice deve poder separar e unir-se facilmente à propriedade chave para eventos de replicação e transcrição.

O DNA é encontrado nos procariontes em um local específico em seu citoplasma, enquanto nos eucariontes está localizado dentro do núcleo.

RNA: uma molécula multifuncional

Papel na síntese de proteínas

O RNA é um ácido nucleico que encontramos em diferentes estágios da síntese proteica e na regulação da expressão gênica.

A síntese de proteínas começa com a transcrição da mensagem criptografada no DNA para uma molécula de RNA mensageiro. Em seguida, o messenger deve eliminar as partes que não serão traduzidas, conhecidas como íntrons.

Para a tradução da mensagem de RNA para resíduos de aminoácidos, são necessários dois componentes adicionais: o RNA ribossômico que faz parte dos ribossomos e o RNA de transferência, que transportará os aminoácidos e será responsável por inserir o aminoácido correto na cadeia peptídica em formação

Em outras palavras, cada tipo principal de RNA tem um papel fundamental nesse processo. Essa passagem do DNA para o RNA mensageiro e, finalmente, para as proteínas é o que os biólogos chamam de “o dogma central da biologia”.

No entanto, como a ciência não pode se basear em dogmas, há casos diferentes em que essa premissa não é cumprida, como os retrovírus.

Papel na regulação

Os pequenos RNAs mencionados acima participam indiretamente da síntese, orquestrando a síntese do RNA mensageiro e participando da regulação da expressão.

Por exemplo, na célula existem diferentes RNAs mensageiros que são regulados por pequenos RNAs, que possuem uma sequência complementar a isso. Se o pequeno RNA estiver anexado à mensagem, ele poderá dividir o mensageiro, impedindo sua tradução. Existem vários processos que são regulados dessa maneira.

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