3.5: Ácidos nucléicos

Habilidades para desenvolver

• Descreva a estrutura dos ácidos nucléicos e defina os dois tipos de ácidos nucléicos
• Explicar a estrutura e o papel do DNA
• Explicar a estrutura e as funções do RNA

Os ácidos nucléicos são as macromoléculas mais importantes para a continuidade da vida. Eles carregam o projeto genético de uma célula e carregam instruções para o funcionamento da célula.

DNA e RNA

Os dois principais tipos de ácidos nucléicos são o ácido desoxirribonucléico (DNA) e o ácido ribonucléico (RNA). O DNA é o material genético encontrado em todos os organismos vivos, variando de bactérias unicelulares a mamíferos multicelulares. É encontrado no núcleo dos eucariotos e nas organelas, cloroplastos e mitocôndrias. Em procariontes, o DNA não está contido em um envelope membranoso.

Todo o conteúdo genético de uma célula é conhecido como seu genoma, e o estudo dos genomas é genômico. Nas células eucarióticas, mas não nos procariontes, o DNA forma um complexo com as proteínas histônicas para formar a cromatina, a substância dos cromossomos eucarióticos. Um cromossomo pode conter dezenas de milhares de genes. Muitos genes contêm as informações para fazer produtos proteicos; outros genes codificam produtos de RNA. O DNA controla todas as atividades celulares ativando ou desativando os genes.

O outro tipo de ácido nucléico, o RNA, está envolvido principalmente na síntese protéica. As moléculas de DNA nunca saem do núcleo, mas usam um intermediário para se comunicar com o resto da célula. Esse intermediário é o RNA mensageiro (mRNA). Outros tipos de RNA, como rRNA, tRNA e microRNA, estão envolvidos na síntese de proteínas e sua regulação.

O DNA e o RNA são compostos de monômeros conhecidos como nucleotídeos. Os nucleotídeos se combinam para formar um polinucleotídeo, DNA ou RNA. Cada nucleotídeo é composto por três componentes: uma base nitrogenada, uma pentose (cinco carbonos) de açúcar e um grupo fosfato (Figura\(\PageIndex{1}\)). Cada base nitrogenada em um nucleotídeo está ligada a uma molécula de açúcar, que está ligada a um ou mais grupos fosfato.

Figura\(\PageIndex{1}\): Um nucleotídeo é composto por três componentes: uma base nitrogenada, uma pentose de açúcar e um ou mais grupos fosfato. Os resíduos de carbono na pentose são numerados de 1 a 5 ″ (o primo distingue esses resíduos daqueles na base, que são numerados sem usar uma notação prima). A base é fixada na posição 1” da ribose e o fosfato é preso à posição 5”. Quando um polinucleotídeo é formado, o fosfato 5′do nucleotídeo entrante se liga ao grupo hidroxila 3′no final da cadeia de crescimento. Dois tipos de pentose são encontrados nos nucleotídeos, a desoxirribose (encontrada no DNA) e a ribose (encontrada no RNA). A desoxirribose tem estrutura semelhante à ribose, mas tem um H em vez de um OH na posição 2. As bases podem ser divididas em duas categorias: purinas e pirimidinas. As purinas têm uma estrutura de anel duplo e as pirimidinas têm um único anel.

As bases nitrogenadas, componentes importantes dos nucleotídeos, são moléculas orgânicas e têm esse nome porque contêm carbono e nitrogênio. São bases porque contêm um grupo amino que tem o potencial de se ligar a um hidrogênio extra e, assim, diminui a concentração de íons hidrogênio em seu ambiente, tornando-o mais básico. Cada nucleotídeo no DNA contém uma das quatro bases nitrogenadas possíveis: adenina (A), guanina (G), citosina (C) e timina (T).

A adenina e a guanina são classificadas como purinas. A estrutura primária de uma purina são dois anéis de carbono-nitrogênio. A citosina, a timina e o uracilo são classificados como pirimidinas que têm um único anel de carbono-nitrogênio como estrutura primária (Figura\(\PageIndex{1}\)). Cada um desses anéis básicos de carbono-nitrogênio tem diferentes grupos funcionais associados a ele. Em abreviatura de biologia molecular, as bases nitrogenadas são simplesmente conhecidas por seus símbolos A, T, G, C e U. O DNA contém A, T, G e C, enquanto o RNA contém A, U, G e C.

O açúcar pentose no DNA é desoxirribose e, no RNA, o açúcar é ribose (Figura\(\PageIndex{1}\)). A diferença entre os açúcares é a presença do grupo hidroxila no segundo carbono da ribose e do hidrogênio no segundo carbono da desoxirribose. Os átomos de carbono da molécula de açúcar são numerados como 1 ', 2', 3 ', 4' e 5 '(1' é lido como “um primo”). O resíduo de fosfato está ligado ao grupo hidroxila do carbono 5′-de um açúcar e ao grupo hidroxila do carbono 3′do açúcar do próximo nucleotídeo, que forma uma ligação fosfodiéster 5′—3". A ligação fosfodiéster não é formada por uma simples reação de desidratação, como as outras ligações que conectam monômeros em macromoléculas: sua formação envolve a remoção de dois grupos fosfato. Um polinucleotídeo pode ter milhares dessas ligações fosfodiésteres.

Estrutura de dupla hélice de DNA

O DNA tem uma estrutura de dupla hélice (Figura\(\PageIndex{2}\)). O açúcar e o fosfato estão na parte externa da hélice, formando a espinha dorsal do DNA. As bases nitrogenadas são empilhadas no interior, como os degraus de uma escada, em pares; os pares são unidos uns aos outros por ligações de hidrogênio. Cada par de bases na dupla hélice é separado do próximo par de bases por 0,34 nm. Os dois fios da hélice correm em direções opostas, o que significa que a extremidade de carbono de 5 ″ de um fio ficará voltada para a extremidade de carbono 3 ″ de seu fio correspondente. (Isso é conhecido como orientação antiparalela e é importante para a replicação do DNA e em muitas interações de ácidos nucléicos.)

Figura\(\PageIndex{2}\): O DNA nativo é uma dupla hélice antiparalela. A espinha dorsal de fosfato (indicada pelas linhas curvas) está do lado de fora e as bases estão do lado de dentro. Cada base de um fio interage via ligação de hidrogênio com uma base da fita oposta. (crédito: Jerome Walker/Dennis Myts)

Somente certos tipos de emparelhamento de bases são permitidos. Por exemplo, uma certa purina só pode ser combinada com uma certa pirimidina. Isso significa que A pode emparelhar com T e G pode emparelhar com C, conforme mostrado na Figura\(\PageIndex{3}\). Isso é conhecido como regra básica complementar. Em outras palavras, as fitas de DNA são complementares umas às outras. Se a sequência de uma fita for AATTGGCC, a cadeia complementar teria a sequência TTAACCGG. Durante a replicação do DNA, cada fita é copiada, resultando em uma dupla hélice de DNA filha contendo uma fita de DNA parental e uma fita recém-sintetizada.

Conexão artística

Figura\(\PageIndex{3}\): Em uma molécula de DNA de fita dupla, as duas fitas correm antiparalelas uma à outra, de modo que uma fita corre de 5 a 3 e a outra de 3 a 5. A espinha dorsal do fosfato está localizada na parte externa e as bases no meio. A adenina forma ligações de hidrogênio (ou pares de bases) com a timina e pares de bases da guanina com a citosina.

Ocorre uma mutação e a citosina é substituída por adenina. Que impacto você acha que isso terá na estrutura do DNA?

RNA

O ácido ribonucleico, ou RNA, está envolvido principalmente no processo de síntese protéica sob a direção do DNA. O RNA é geralmente de fita simples e é feito de ribonucleotídeos que estão ligados por ligações fosfodiéster. Um ribonucleotídeo na cadeia de RNA contém ribose (o açúcar pentose), uma das quatro bases nitrogenadas (A, U, G e C) e o grupo fosfato.

Existem quatro tipos principais de RNA: RNA mensageiro (mRNA), RNA ribossômico (rRNA), RNA de transferência (tRNA) e microRNA (miRNA). O primeiro, o mRNA, carrega a mensagem do DNA, que controla todas as atividades celulares em uma célula. Se uma célula precisar de uma determinada proteína para ser sintetizada, o gene desse produto é “ligado” e o RNA mensageiro é sintetizado no núcleo. A sequência base do RNA é complementar à sequência codificadora do DNA da qual foi copiada. No entanto, no RNA, a base T está ausente e U está presente em seu lugar. Se a fita de DNA tiver uma sequência AATTGCGC, a sequência do RNA complementar é UUAACGCG. No citoplasma, o mRNA interage com ribossomos e outras máquinas celulares (Figura\(\PageIndex{4}\)).

Figura\(\PageIndex{4}\): Um ribossomo tem duas partes: uma subunidade grande e uma subunidade pequena. O mRNA fica entre as duas subunidades. Uma molécula de tRNA reconhece um códon no mRNA, liga-se a ele por meio de emparelhamento de bases complementares e adiciona o aminoácido correto à cadeia peptídica em crescimento.

O mRNA é lido em conjuntos de três bases conhecidas como códons. Cada códon codifica um único aminoácido. Dessa forma, o mRNA é lido e o produto proteico é produzido. O RNA ribossômico (rRNA) é um dos principais constituintes dos ribossomos aos quais o mRNA se liga. O rRNA garante o alinhamento adequado do mRNA e dos ribossomos; o rRNA do ribossomo também tem uma atividade enzimática (peptidil transferase) e catalisa a formação das ligações peptídicas entre dois aminoácidos alinhados. O RNA de transferência (tRNA) é um dos menores dos quatro tipos de RNA, geralmente de 70 a 90 nucleotídeos de comprimento. Ele carrega o aminoácido correto para o local da síntese protéica. É o emparelhamento de bases entre o tRNA e o mRNA que permite que o aminoácido correto seja inserido na cadeia polipeptídica. Os microRNAs são as menores moléculas de RNA e seu papel envolve a regulação da expressão gênica interferindo na expressão de certas mensagens de mRNA. A tabela\(\PageIndex{1}\) abaixo resume as características do DNA e do RNA.

Tabela\(\PageIndex{1}\): Características do DNA e do RNA.

	DNA	RNA
Função	Carrega informações genéticas	Envolvido na síntese de proteínas
Localização	Permanece no núcleo	Deixa o núcleo
Estrutura	Dupla hélice	Geralmente de fita simples
Açúcar	Desoxirribose	Ribose
Pirimidinas	Citosina, timina	Citosina, uracilo
Purinas	Adenina, guanina	Adenina, guanina

Embora o RNA seja de fita simples, a maioria dos tipos de RNA mostra um amplo emparelhamento de bases intramoleculares entre sequências complementares, criando uma estrutura tridimensional previsível essencial para sua função.

Como você aprendeu, o fluxo de informações em um organismo ocorre do DNA ao RNA e à proteína. O DNA dita a estrutura do mRNA em um processo conhecido como transcrição, e o RNA dita a estrutura da proteína em um processo conhecido como tradução. Isso é conhecido como o Dogma Central da Vida, válido para todos os organismos; no entanto, exceções à regra ocorrem em conexão com infecções virais.

Link para o aprendizado

Para saber mais sobre DNA, explore as animações biointerativas do Howard Hughes Medical Institute sobre o tema do DNA.

Resumo

Os ácidos nucléicos são moléculas compostas por nucleotídeos que direcionam as atividades celulares, como divisão celular e síntese de proteínas. Cada nucleotídeo é composto por uma pentose de açúcar, uma base nitrogenada e um grupo fosfato. Existem dois tipos de ácidos nucléicos: DNA e RNA. O DNA carrega o modelo genético da célula e é transmitido dos pais para os filhos (na forma de cromossomos). Tem uma estrutura de dupla hélice com os dois fios correndo em direções opostas, conectados por ligações de hidrogênio e complementares um ao outro. O RNA é de fita simples e é feito de um açúcar pentose (ribose), uma base nitrogenada e um grupo fosfato. O RNA está envolvido na síntese de proteínas e sua regulação. O RNA mensageiro (mRNA) é copiado do DNA, é exportado do núcleo para o citoplasma e contém informações para a construção de proteínas. O RNA ribossômico (rRNA) faz parte dos ribossomos no local da síntese protéica, enquanto o RNA de transferência (tRNA) carrega o aminoácido para o local da síntese protéica. O microRNA regula o uso do mRNA para síntese protéica.

Conexões artísticas

Figura\(\PageIndex{3}\): A mutation occurs, and cytosine is replaced with adenine. What impact do you think this will have on the DNA structure?

Answer

Adenine is larger than cytosine and will not be able to base pair properly with the guanine on the opposing strand. This will cause the DNA to bulge. DNA repair enzymes may recognize the bulge and replace the incorrect nucleotide.

Glossary

deoxyribonucleic acid (DNA)

double-helical molecule that carries the hereditary information of the cell

messenger RNA (mRNA)

RNA that carries information from DNA to ribosomes during protein synthesis

nucleic acid

biological macromolecule that carries the genetic blueprint of a cell and carries instructions for the functioning of the cell

nucleotide

monomer of nucleic acids; contains a pentose sugar, one or more phosphate groups, and a nitrogenous base

phosphodiester

linkage covalent chemical bond that holds together the polynucleotide chains with a phosphate group linking two pentose sugars of neighboring nucleotides

polynucleotide

long chain of nucleotides

purine

type of nitrogenous base in DNA and RNA; adenine and guanine are purines

pyrimidine

type of nitrogenous base in DNA and RNA; cytosine, thymine, and uracil are pyrimidines

ribonucleic acid (RNA)

single-stranded, often internally base paired, molecule that is involved in protein synthesis

ribosomal RNA (rRNA)

RNA that ensures the proper alignment of the mRNA and the ribosomes during protein synthesis and catalyzes the formation of the peptide linkage

transcription

process through which messenger RNA forms on a template of DNA

transfer RNA (tRNA)

RNA that carries activated amino acids to the site of protein synthesis on the ribosome

translation

process through which RNA directs the formation of protein