Nucleases: características, estrutura, tipos e funções

As nucleases são enzimas que são responsáveis pela degradação de ácidos nucleicos. Isto é conseguido pela hidrólise das ligações fosfodiéster que mantêm os nucleotídeos unidos. Por esse motivo, eles também são conhecidos na literatura como fosfodiesterases. Essas enzimas são encontradas em quase todas as entidades biológicas e desempenham papéis fundamentais na replicação, reparo e outros processos de DNA.

Em geral, podemos classificá-los dependendo do tipo de ácido nucleico que clivam: nucleases cujo substrato é RNA são chamadas ribonucleases, e aquelas no DNA são conhecidas como desoxirribonucleases. Existem alguns não específicos capazes de degradar o DNA e o RNA.

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Ligação fosfodiéster. Fonte: Xvazquez [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)]

Outra classificação amplamente utilizada depende da ação da enzima. Se ele faz seu trabalho progressivamente, começando nas extremidades da cadeia de ácidos nucleicos, eles são chamados exonucleases. Por outro lado, se a ruptura ocorre em um ponto interno da cadeia, elas são chamadas endonucleases.

Atualmente, certas endonucleases são amplamente utilizadas na tecnologia de DNA recombinante em laboratórios de biologia molecular. Estas são ferramentas inestimáveis ​​para manipulação experimental de ácidos nucleicos.

Caracteristicas

Nucleases são moléculas biológicas de natureza proteica e com atividade enzimática. Eles são capazes de hidrolisar as ligações que ligam nucleotídeos nos ácidos nucleicos.

Eles agem através de uma catálise geral ácido-base. Essa reação pode ser dividida em três etapas fundamentais: o ataque nucleofílico, a formação de um intermediário carregado negativamente e, como etapa final, a quebra da ligação.

Existe um tipo de enzima chamada polimerase, responsável por catalisar a síntese do DNA (na replicação) e do RNA (na transcrição). Alguns tipos de polimerases exibem atividade de nuclease. Como as polimerases, outras enzimas relacionadas também exibem essa atividade.

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Estrutura

Nucleases são um conjunto extremamente heterogêneo de enzimas, onde há pouca relação entre sua estrutura e mecanismo de ação. Ou seja, há uma variação drástica entre a estrutura dessas enzimas, portanto não podemos mencionar nenhuma estrutura comum a todas elas.

Tipos

Existem vários tipos de nucleases e também sistemas diferentes para classificá-las. Neste artigo, discutiremos dois principais sistemas de classificação: de acordo com o tipo de ácido nucleico que degradam e de acordo com a forma de ataque enzimático.

Se o leitor estiver interessado, ele pode procurar uma terceira classificação mais extensa com base na função de cada nuclease (ver Yang, 2011).

É necessário mencionar que também existem enzimas nucleases nesses sistemas que não são específicas ao seu substrato e podem degradar os dois tipos de ácidos nucleicos.

De acordo com a especificidade do substrato utilizado

Existem dois tipos de ácidos nucléicos que são praticamente onipresentes para os seres orgânicos: ácido desoxirribonucleico, ou DNA, e ácido ribonucleico, RNA. Enzimas específicas no DNA degradante são chamadas desoxirribonucleases e RNA, ribonucleases.

De acordo com a forma de ataque

Se a cadeia de ácido nucleico é atacada endoliticamente, isto é, nas regiões internas da cadeia, a enzima é chamada endonuclease. O ataque alternativo ocorre gradualmente em uma extremidade da cadeia e as enzimas que o executam são exonucleases. A ação de cada enzima se traduz em diferentes consequências.

Como as exonucleases separam os nucleotídeos passo a passo, os efeitos no substrato não são muito drásticos. Pelo contrário, a ação das endonucleases é mais pronunciada, pois elas podem quebrar a cadeia em diferentes pontos. Este último pode mudar para a viscosidade da solução de DNA.

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As exonucleases foram elementos cruciais para elucidar a natureza da ligação que mantinha os nucleotídeos unidos.

A especificidade do local de corte da endonuclease varia. Existem alguns tipos (como a enzima desoxirribonuclease I) que podem cortar em locais inespecíficos, gerando cortes relativamente aleatórios em relação à sequência.

Pelo contrário, temos endonucleases muito específicas que apenas cortam em determinadas seqüências. Mais tarde, explicaremos como os biólogos moleculares tiram proveito dessa propriedade.

Existem algumas nucleases que podem atuar tanto em endo quanto em exonucleases. Um exemplo disso é a chamada nuclease microcônica.

Funções

Nucleases catalisam uma série de reações essenciais para a vida. actividade de nuclease é um elemento essencial da replicação do ADN, uma vez que ajudam a eliminar o iniciador ou primeiro e participar na correcção de erro.

Dessa maneira, dois processos tão relevantes quanto a recombinação e reparo do DNA são mediados por nucleases.

Também ajuda a gerar alterações estruturais no DNA, como topoisomerização e recombinação específica do local. Para que todos esses processos ocorram, é necessária uma ruptura temporária da ligação fosfodiéster, realizada por nucleases.

No RNA, as nucleases também participam de processos fundamentais. Por exemplo, na maturação do mensageiro e no processamento de RNAs de interferência. Da mesma forma, eles estão envolvidos nos processos de morte celular programada ou apoptose.

Nos organismos unicelulares, as nucleases representam um sistema de defesa que lhes permite digerir o DNA externo que entra na célula.

Aplicações: enzimas de restrição

Os biólogos moleculares aproveitam a especificidade de certas nucleases chamadas nucleases de restrição específicas. Os biólogos haviam notado que as bactérias eram capazes de digerir o DNA estranho introduzido por meio de técnicas de laboratório.

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Após uma investigação mais aprofundada sobre esse fenômeno, os cientistas descobriram nucleases de restrição: enzimas que cortam o DNA em certas seqüências de nucleotídeos. Eles são uma espécie de “tesoura molecular” e os encontramos produzidos para venda.

O DNA da bactéria é “imune” a esse mecanismo, pois é protegido por modificações químicas nas seqüências que promovem a degradação. Cada espécie e cepa de bactérias tem suas nucleases específicas.

Essas moléculas são muito úteis, pois garantem que o corte seja sempre realizado no mesmo local (comprimento de 4 a 8 nucleotídeos). Eles são aplicados na tecnologia de DNA recombinante.

Alternativamente, em alguns procedimentos de rotina (como PCR), a presença de nucleases afeta negativamente o processo, pois digerem o material que precisa ser analisado. Por esse motivo, em alguns casos é necessário aplicar inibidores dessas enzimas.

Referências

  1. Brown, T. (2011).Introdução à genética: uma abordagem molecular . Garland Science
  2. Davidson, J. & Adams, RLP (1980).Bioquímica dos ácidos nucleicos de Davidson . Eu inverti
  3. Nishino, T. e Morikawa, K. (2002). Estrutura e função das nucleases no reparo do DNA: forma, aderência e lâmina da tesoura de DNA.Oncogene , 21 (58), 9022.
  4. Stoddard, BL (2005). Estrutura e função da endonuclease homing.Revisões trimestrais de Biofísica , 38 (1), 49-95.
  5. Yang, W. (2011). Nucleases: diversidade de estrutura, função e mecanismo.Revisões trimestrais de Biofísica , 44 (1), 1-93.

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