Unidades fundamentais dos ácidos nucléicos

Biologia Molecular Básica – Módulo I: Básico
Estrutura dos ácidos nucléicos – Aula 2
Módulo I – Básico
Biologia Molecular Básica
Aula 2
Unidades fundamentais dos ácidos
nucléicos
Prezado professor, nesta aula você vai estudar os nucleotídeos que
formam os blocos constituintes dos ácidos nucléicos.
Os objetivos desta aula são:
ƒ Identificar diferenças estruturais entre o DNA e o RNA.
ƒ Estudar a fórmula estrutural dos nucleotídeos, identificando as três
partes que os compõem.
ƒ Identificar
a
principal
diferença
entre
os
nucleotídeos
e
os
nucleosídeos.
ƒ Estudar a nomenclatura dos nucleotídeos e nucleosídeos.
1. Organização do material genético
Os ácidos nucléicos são substâncias químicas envolvidas na transmissão
de caracteres hereditários e na produção de proteínas. Estão em todas
as
células.
São
eles:
ácido
desoxirribonucléico
(ou
DNA
–
Deoxyribonucleic acid) e ácido ribonucléico (ou RNA – Ribonucleic
acid,).
O DNA foi primeiramente isolado a partir do núcleo de leucócitos, por
Friedrich Miescher, em 1869. A presença de DNA em outros tipos de
célula foi comprovada nos anos seguintes. Algum tempo depois,
Fraenkel-Conrat e Singer (1957) demonstraram que o genoma de
alguns vírus é constituído de RNA.
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Figura 1: Os ácidos nucléicos foram identificados antes mesmo de se
conhecer
sua
relação
com
a
hereditariedade.
Vários
experimentos
comprovaram sua existência. Você pode rever alguns desses experimentos
acessando a animação.
Essas macromoléculas são formadas por um açúcar, um grupo fosfato e
uma base nitrogenada. Entretanto, existem algumas diferenças entre
esses dois ácidos. O primeiro é formado por duas cadeias em forma de
dupla hélice, o que não ocorre no RNA, que é formado por uma única
cadeia. As cadeias do DNA são constituídas pelo açúcar desoxirribose
(lembre-se da letra D da abreviatura DNA), enquanto o RNA é formado
pelo açúcar ribose (é a letra R da abreviatura RNA). Outra característica
que os diferencia diz respeito às suas bases nitrogenadas. A dupla hélice
do DNA é constituída pelo pareamento das bases nitrogenadas timina e
adenina (T-A) ou citosina e guanina (C-G), enquanto o RNA é
constituído pelas bases nitrogenadas uracila (U), adenina (A), citosina
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(C) ou guanina (G). Você percebeu a diferença? No RNA encontramos
a base uracila (U) ao invés da base timina (T).
Como você verá mais adiante, os ácidos nucléicos são polímeros lineares
de nucleotídeos, ou seja, os nucleotídeos são os blocos constituintes dos
ácidos nucléicos. Os nucleotídeos podem ser de dois tipos: os
ribonucleotídeos (que compõem o RNA) e os desoxirribonucleotídeos
(que fazem parte do DNA). Veja, então, como é um nucleotídeo.
2. Nucleotídeos
Repare a fórmula geral estrutural de um nucleotídeo.
Figura 2: Um nucleotídeo
é formado por três
partes: um açúcar ligado
ao(s) grupo(s) fosfato(s)
e a uma base
2.1. Açucar (Pentose)
Agora observe o açúcar, que é sempre uma pentose (açúcar de cinco
átomos de carbono), representado na fórmula geral estrutural de um
nucleotídeo. Os cinco átomos de carbono (C) do açúcar são numerados
de C1’ (lê-se “carbono 1 linha”), a partir do carbono mais à esquerda na
figura, até C5’ (lê-se “carbono 5 linha”), no sentido horário. Repare que
a pentose está ligada pelo C5’ a um grupo fosfato e pelo C1’ a uma
base nitrogenada. Note também que as pentoses podem apresentar
um grupamento OH ligado ao C2’ (D-ribose) ou um H ligado ao C2’ (2’desoxi-D-ribose). Os nomes dos nucleotídeos e dos ácidos nucléicos
correlatos derivam do tipo de pentose: ribose ou desoxirribose. A Dribose está presente nos ribonucleotídeos, ou seja, no RNA, enquanto a
2’-desoxi-D-ribose está presente nos desoxirribonucleotídeos, ou seja,
no DNA.
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Desoxi – O prefixo desoxi- significa “sem oxigênio”. A substituição da
hidroxila (OH) por hidrogênio (H) é a única diferença entre ribose e
desoxirribose.
2.2. Base Nitrogenada
Estrutura das bases nitrogenadas
Figura 3: Representação das bases purínicas (adenina e guanina) e
pirimidínicas (citosina, timina e uracila). Em anexo está a numeração dos
átomos constituintes do anel. As setas indicam os grupamentos substituintes
da estrutura central das bases.
As bases nitrogenadas, que muitas vezes são chamadas simplesmente
de bases, dividem-se em dois grupos: as bases purínicas e as bases
pirimidínicas.
pirimidina,
Têm
esse
nome
respectivamente.
por
A
derivarem
purina
da
apresenta
purina
dois
e
da
anéis
heterocíclicos fundidos, um de seis e um de cinco átomos, contendo
ao todo quatro átomos de nitrogênio. Dizemos que os anéis são fundidos
porque dois átomos, o C4 e o C5, são compartilhados pelos dois anéis. Já
a pirimidina apresenta um único anel heterocíclico de seis átomos,
contendo dois átomos de nitrogênio. Repare na numeração dos átomos
dos anéis, que sempre se inicia em um átomo de nitrogênio (N) e segue
a direção em que os outros átomos de nitrogênio estejam associados
aos menores números. Os átomos são numerados sem (‘) para se
diferenciar da numeração dada à pentose.
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Os
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anéis
aromáticos
que
incorporam
átomos
de
nitrogênio
são
importantes para o arranjo espacial das moléculas dos ácidos nucléicos.
Por exemplo, esses anéis são essencialmente planos, permitindo seu
empilhamento. Além disso, o nitrogênio (N) confere um caráter básico
fraco
ao
anel
aromático,
de
forma
que
as
bases
nitrogenadas
apresentam-se sem carga em pH fisiológico (7,0). Entretanto, as bases
nitrogenadas podem se apresentar carregadas em valores extremos de
pH. O comportamento das bases nitrogenadas em pH fisiológico é
fundamental sob o ponto de vista estrutural dos ácidos nucléicos. Isso
se comprova quando as bases são expostas a valores extremos de pH, o
que leva à presença de carga, perturbando, assim, o arranjo estrutural
das moléculas.
As bases purínicas, adenina (A) e guanina (G), ligam-se ao carbono
C1’ da pentose através de uma ligação N-glicosídica envolvendo a
posição 9 (N9). Elas diferem entre si com relação aos grupamentos
ligados aos átomos da estrutura central da purina. Adenina e guanina
são encontradas tanto no DNA como no RNA.
Ligação N-glicosídica - Esse tipo de ligação é formado pela remoção de um
grupo hidroxila da pentose e de um hidrogênio da base.
As bases pirimidínicas, citosina (C), timina (T) e uracila (U),
ligam-se ao carbono C1’ da pentose através de uma ligação N-glicosídica
envolvendo a posição 1 (N1). As diferenças entre elas também recaem
nos grupamentos ligados aos átomos da estrutura central da pirimidina.
A citosina está presente tanto no DNA como no RNA. Porém a
timina está presente preferencialmente no DNA; a uracila,
somente no RNA.
Vale lembrar que a purina e a pirimidina dão origem a derivados
importantes, como a tiamina (Vitamina B1) e os barbituratos derivados
das purinas, o ácido úrico, produto final do metabolismo de purinas,
além da cafeína e teofilina derivadas das pirimidinas. Além disso,
algumas bases raras podem ser encontradas nos ácidos nucléicos, como
será visto em aulas posteriores. dúvidas!
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2.3. Grupamento Fosfato
O caráter ácido dos nucleotídeos é devido à presença de resíduos de
fosfato derivados do ácido fosfórico – H3PO4, que se dissociam em pH
intracelular, liberando íons hidrogênio (H+) e deixando o fosfato
carregado
negativamente.
Como
essas
cargas
negativas
atraem
proteínas, a maioria dos ácidos nucléicos nas células está associada com
proteínas.
Grupamentos fosfatos ligados à pentose dos nucleotídeos
Figura 4: O primeiro é chamado fosfato α, o segundo fosfato β e o terceiro
fosfato γ. O fosfato α se liga ao C5’ através de uma ligação do tipo fosfoéster,
enquanto o fosfato β se liga ao α e o fosfato γ se liga ao β através de ligações
fosfoanídricas.
3. Nucleosídeos
Os nucleosídeos são constituídos apenas da base nitrogenada ligada ao
carbono C1’ da pentose através de ligação N-glicosídica.
Figura 5
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4.
Propriedades
Nucleosídeos
dos
Nucleotídeos
e
Os nucleotídeos e outros componentes celulares contendo bases
purínicas
ou
pirimidínicas
podem
ser
facilmente
detectados
por
absorverem luz ultravioleta (UV). As bases purínicas e seus derivados
nucleosídeos e nucleotídeos absorvem luz UV (200-380 nm) mais
fortemente que as pirimidinas e seus derivados. O comprimento de onda
correspondente à absorção máxima para a maioria desses compostos é
de
aproximadamente
260
nm.
A
medida
de
absorbância
nesse
comprimento de onda é amplamente empregada para a quantificação de
ácidos nucléicos nas preparações de DNA e RNA.
Devido à presença de grupamentos fosfatos, que são altamente polares,
os nucleotídeos são muito mais solúveis em solução aquosa do que os
nucleosídeos e as bases livres.
As ligações N-glicosídicas dos nucleosídeos e nucleotídeos não sofrem
hidrólise alcalina. Contudo, a estabilidade dessas ligações frente à
hidrólise
ácida
difere
sensivelmente.
A
ligação
N-glicosídica
de
nucleosídeos e nucleotídeos purínicos é facilmente hidrolisada por ácido
diluído em temperaturas elevadas (por exemplo, 60ºC), gerando purinas
livres, açúcar ou açúcar fosfato. O mesmo tipo de ligação envolvendo as
bases uracil, citosina e timina é bastante estável ao tratamento ácido,
requerendo condições mais drásticas, como ácido perclórico (60%) e
100ºC, para liberar as pirimidinas livres. Esse tratamento, porém,
promove a completa destruição do açúcar.
5.
Nomenclatura
Nucleosídeos
dos
Nucleotídeos
e
Antes de você aprender como os nucleotídeos se ligam para formar os
ácidos nucléicos, é importante que você entenda como os nucleosídeos e
os nucleotídeos são chamados. A primeira característica a ser observada
é o tipo de base presente, pois a nomenclatura desses dois grupos de
compostos deriva do nome da base nitrogenada. Em seguida, o tipo de
açúcar – ribose ou desoxirribose – também é importante para a
denominação desses compostos, pois, se a desoxirribose estiver
presente, o nome da molécula deve receber o prefixo desoxi-. Por fim, a
presença ou ausência do fosfato é fundamental para a nomenclatura. Se
não houver fosfato, a molécula é um nucleosídeo, e recebe o sufixo Profª. Christina Gaspar Villela – Extensão de Biologia – Fundação CECIERJ/CEDERJ
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osina (se for uma 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 o mesmo nome do nucleosídeo
correspondente, acrescido de 5’- (carbono da pentose ao qual o fosfato
está ligado), seguido dos prefixos mono, di ou tri, se respectivamente
um, dois ou três grupamentos fosfatos estiverem presentes, além da
palavra fosfato. O nome do nucleotídeo que apresenta o fosfato ligado
ao C3’ da pentose segue a mesma regra, substituindo o 5’ por 3’ antes
da palavra fosfato.
Tomemos como exemplo a purina adenina. O nucleotídeo formado
pela ligação do grupamento fosfato à adenosina (nucleosídeo formado
pela D-ribose e a adenina), na posição C5’ da pentose, recebe o nome
geral de adenosina 5’-fosfato.
Figura 6
Conforme o número de grupamentos fosfatos ligados à pentose, o
nucleotídeo pode ser denominado mais especificamente adenosina 5’mono, di ou trifosfato, no caso de haver um, dois ou três fosfatos.
Note que a pentose exemplificada é uma D-2-desoxirribose. Os
desoxirribonucleotídeos que compõem o DNA recebem o prefixo desoxi-.
Se a adenina estiver ligada à desoxi-D-ribose, o nucleosídeo formado
recebe o nome de desoxiadenosina. Já o nucleotídeo gerado pela
ligação da desoxiadenosina com o(s) grupamento(s) fosfato(s) na
posição 5’ da pentose é denominado desoxiadenosina 5’-fosfato, ou
ainda desoxiadenosina 5’-mono, di ou trifosfato, de acordo com a
presença de um, dois ou três grupamentos fosfatos.
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6. Importância dos Nucleotídeos
Além de sua importância como unidades monoméricas constituintes dos
ácidos nucléicos, cujas funções você estudará mais adiante, os
nucleotídeos desempenham outras funções celulares de igual relevância.
Por exemplo, o ATP é reconhecido como a molécula armazenadora de
energia, sendo formado por reações que são direcionadas pela liberação
de energia do metabolismo oxidativo dos alimentos. Além do ATP, os
outros nucleotídeos podem desempenhar essa função. Os mono- e
dinucleotídeos AMP e ADP também são importantes intermediários
energéticos no metabolismo. O cAMP (AMP cíclico) é um segundo
mensageiro formado após a estimulação dos receptores acoplados à
proteína G, que, respondendo a sinais extracelulares, transfere-os para
o processo metabólico no interior da célula. Alguns nucleotídeos são
componentes de nicotinamida adenina dinucleotídeos, NAD+ (oxidada) e
NADH (reduzida), e de flavina mono- e dinucleotídeos, FMN (oxidada) e
FAD (reduzida), respectivamente. Esses compostos existem nas formas
oxidada e reduzida, o que os torna cofatores importantes para as
reações de oxi-redução catalisadas enzimaticamente.
Figura 7
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Na fórmula geral dos nucleotídeos 5’ fosfato, existem três chaves,
correspondendo ao NMP (nucleotídeo 5’-monofosfato), ao NDP (nucleotídeo
5’-difosfato) e ao NTP (nucleotídeo 5’-trifosfato). Nos desoxirribonucleotídeos
(dNMPs, dNDPs e dNTPs), a pentose é 2’-desoxi-D-ribose. Repare que, nas
abreviações, a letra d minúscula é usada apenas para os
desoxirribonucleotídeos.
7. Polimerização dos Nucleotídeos
Agora que você já é capaz de reconhecer um nucleotídeo e diferenciar
um ribonucletídeo de um desoxirribonucleotídeo, verá como essas
unidades se ligam para formar o ácido ribonucléico – RNA – e o ácido
desoxirribonucléico – DNA.
Os ácidos nucléicos são polímeros lineares (ou seja, sem ramificações)
de nucleotídeos ligados entre si por ligação do tipo fosfodiéster formada
entre o fosfato do carbono C5’ de um nucleotídeo e o grupo hidroxila do
carbono C3’ da pentose do nucleotídeo adjacente. A cadeia resultante é
bastante polar e possui uma extremidade 5’ (lê-se 5 linha) livre, fosfato
do C5’ da pentose, e uma extremidade 3’ (lê-se 3 linha) livre, hidroxila
do C3’. Essas extremidades também são chamadas 5’ fosfato e 3’
hidroxila. Por convenção, as bases de uma seqüência são sempre
descritas da extremidade 5’ para a extremidade 3’. Portanto, a
orientação da cadeia é designada 5’ para 3’ ou 5’ → 3’. As ligações
fosfodiéster
podem
ser
clivadas
enzimaticamente
por
enzimas
chamadas nucleases, que se dividem em endonucleases, capazes de
clivar as ligações no meio da molécula, e exonucleases, capazes
de clivar as ligações nas extremidades da molécula.
A ligação
do tipo fosfodiéster é resultante de uma reação
de
condensação entre nucleotídeos-trifosfatos, ricos em energia, com
liberação de pirofosfato inorgânico (P2O63-) e água. Observe a seguir a
reação entre dois nucleotídeos para a formação de um dinucleotídeo.
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Figura 8: A ligação de dois nucleotídeos resulta em um dinucleotídeo; a de
três nucleotídeos resulta em um trinucleotídeo e assim por diante. Polímeros
contendo até 50 nucleotídeos são chamados “oligonucleotídeos”. Aqueles que
contêm mais de 50 nucleotídeos são denominados “polinucleotídeos”.
Note que a maneira como os polímeros são formados resulta em uma
seqüência de fosfato, açúcar, fosfato, açúcar que se repete por bilhões
de vezes, se considerarmos o genoma de um organismo. Ligadas aos
resíduos de açúcar, encontram-se as bases nitrogenadas: adenina (A),
citosina (C), guanina (G) e timina (T), no DNA – ou uracila (U), no RNA.
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8. Resumo
Como você viu nesta aula, os ácidos nucléicos são as moléculas com a
função de armazenamento e expressão da informação genética. Existem
basicamente dois tipos de ácidos nucléicos: o ácido desoxirribonucléico
(DNA) e o ácido ribonucléico (RNA). Estes ácidos são formados de
compostos orgânicos chamados nucleotídeos; Estes, por sua vez, são
formados basicamente de um açúcar (ribose no caso de uma molécula
de RNA ou desoxirribose no caso de uma molécula de DNA), uma base
púrica ou pirimídica e um ou mais agrupamentos fosfato. A parte do
nucleotídeo que compreende apenas o açúcar e a base fraca denominase nucleosídeo. Lembre-se de que, além de sua importância como
unidades
monoméricas
constituintes
dos
ácidos
nucléicos,
os
nucleotídeos desempenham outras funções celulares de igual relevância.
Os ácidos nucléicos são polímeros de nucleotídeos sem ramificações,
ligados entre si por ligação do tipo fosfodiéster formada entre o fosfato
do carbono C5’ de um nucleotídeo e o grupo hidroxila do carbono C3’ da
pentose do nucleotídeo adjacente. Por convenção, as bases de uma
seqüência são sempre descritas da extremidade 5’ para a extremidade
3’. Portanto, a orientação da cadeia é designada 5’ para 3’ ou 5’ → 3’.
Na próxima aula (Aula 3) deste módulo, você vai estudar os aspectos
funcionais e estruturais do DNA.
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