Estrutura e Função de Ácidos Nucléicos

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE QUÍMICA DQMC BIOQUÍMICA BIO0001 Estrutura e Função de Ácidos Nucléicos Prof Karine P. Naidek Novembro/2016

2 Os Ácidos Nucléicos Os ácidos nucléicos são substâncias químicas envolvidas na transmissão de caracteres hereditários e na produção de proteínas. Estão em todas as células. DNA ácido desoxirribonucleico: armazenador da informação genética na maioria dos seres vivos. RNA ácido ribonucleico: armazenador da informação genética em alguns vírus, importante na transmissão da informação

3 O Dogma da Biologia Molecular Replicação Replicação do RNA Transcrição DNA RNA Proteínas Transcrição Reversa Tradução Tradução direta a partir do DNA para proteína Geral Especial Especial (tubo de ensaio)

4 Nucleotídeos São os blocos construtores dos ácidos nucleicos (DNA e RNA). São formados por uma base nitrogenada, um grupo fosfato e uma pentose (desoxirribose (DNA) e ribose (RNA)). Fosfato Pentose Base Nitrogenada

5 Pentose A pentose liga-se ao grupo fosfato pelo carbono 5 (C5 ) e a base nitrogenada pelo carbono 1 (C1 ). A presença de um grupo OH ligado ao carbono 2 (C2 ) ( D-ribose) ou não (2 - desoxi-d-ribose) diferencia as pentoses. Os nomes dos nucleotídeos e dos ácidos nucléicos correlatos derivam do tipo de pentose: ribose ou desoxirribose. A D-ribose está presente nos ribonucleotídeos, ou seja, no RNA, enquanto a 2 -desoxi-d-ribose está presente nos desoxirribonucleotídeos, ou seja, no DNA.

6 Bases Nitrogenadas

7 Bases Nitrogenadas Os anéis são essencialmente planos possibilitando o empilhamento. O nitrogênio confere um caráter básico fraco ao anel aromático molécula sem carga em ph fisiológico. Em valores de ph extremos podem se apresentar carregadas perturba o arranjo estrutural das moléculas.

8 Bases Nitrogenadas 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. 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.

9 Grupamento Fosfato O caráter ácido dos nucleotídeos é devido à presença de resíduos de fosfato derivados do ácido fosfórico H 3 PO 4, 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.

10 Nucleosídeos Os nucleosídeos são constituídos apenas da base nitrogenada ligada ao carbono C1 da pentose através de ligação N-glicosídica.

11 Nomenclatura dos Nucleotídeos e Nucleosídeos 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 - 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.

12 Nomenclatura dos Nucleotídeos e Nucleosídeos

13 Nucleotídeos (DNA)

14 Nucleotídeos (RNA)

15 Importância dos Nucleotídeos Unidades monoméricas constituintes dos ácidos nucléicos. 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. Os mono- e dinucleotídeos AMP e ADP também são importantes intermediários energéticos no metabolismo. 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 oxirredução catalisadas enzimaticamente.

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17 Ácidos Nucleicos Os ácidos nucléicos são polímeros lineares 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.

18 Ácidos Nucleicos

19 Propriedades Químicas dos Ácidos Nucléicos Os nucleotídeos e outros componentes celulares contendo bases purínicas ou pirimidínicas podem ser facilmente detectados por absorverem luz ultravioleta (UV). As bases nitrogenadas são pouco solúveis em água em ph 7,0. Interações entre os anéis cíclicos levam a um empilhamento das bases em uma conformação planar. O empilhamento das bases é mantido por interações eletrônicas (forças de van der Waals, dipolo-dipolo) reduz o contato com a água e o espaço entre as bases estabilização da estrutura tridimensional dos ácidos nucléicos.

20 Propriedades Químicas dos Ácidos Nucléicos Formas tautoméricas das bases nitrogenadas

21 Estrutura do DNA - Histórico O bioquímico alemão Johann Friedrich Miescher ( ) descobriu o DNA em Analisando os núcleos, Miescher descobriu a presença de um componente de natureza ácida, rico em fósforo e em nitrogênio, desconhecido até o momento. Esse componente era resistente à ação da pepsina (enzima proteolítica), o que descartava a possibilidade de tratar-se de uma proteína. Miescher batizou o composto com o nome de nucleína. Phoebus Levine ( ) e Walter Jacobs ( ) concluíram, em 1912, que o componente básico dos ácidos nucléicos era uma estrutura composta por uma unidade que se constituía de uma base nitrogenada ligada a uma pentose que, por sua vez, estava ligada a um fosfato. Esta unidade é o nucleotídeo.

22 Estrutura do DNA - Histórico Como uma molécula com tão poucos componentes desempenha as funções de uma molécula hereditária? Essa questão começou a ser respondida com a elucidação da estrutura do DNA, por James Watson e Francis Crick. A descoberta foi conhecida pelo mundo no dia 25 de abril de 1953, ao ser publicada na revista Nature. A partir daí, esses dois cientistas e sua descoberta entraram para a história da humanidade, valendo-lhes o Prêmio Nobel de Medicina em As conclusões de Watson e Crick basearam-se nas contribuições dadas por dois cientistas: Erwin Chargaff ( ) e Rosalind Franklin ( ).

23 Estrutura do DNA Chargaff e sua equipe concluíram que: i) a composição de bases nitrogenadas do DNA variava de uma espécie pra outra, mantendo-se constante dentro da mesma espécie; ii) no DNA de qualquer espécie, a porcentagem de timina era sempre igual à da adenina, e a da citosina era igual à da base guanina. Enquanto alguns grupos se dedicavam à análise química do DNA, outros estudavam a estrutura da molécula por meio da difração de raios-x. Watson e Crick identificaram a estrutura em dupla hélice do DNA depois de analisar uma imagem da molécula de DNA obtida por difração de raios- X, por Rosalind Franklin.

24 Estrutura do DNA - Histórico

25 DNA Aspectos funcionais e estruturais As cadeias de DNA são ditas complementares, pois a base presente em uma das cadeias determina a base presente na outra cadeia. Observe que a base C está em frente à base G, a A em frente à T, a G em frente à C e a T em frente à A. Esse arranjo dá a ideia de complementaridade e está de acordo com a regra de Chargaff: A = T e C = G. Além disso, essa complementaridade de bases assegura a formação de uma duplicata exata da informação genética parental quando o DNA é replicado.

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28 Forças que estabilizam a dupla hélice do DNA O contato íntimo entre os pares de bases, que estão posicionados em um plano quase perpendicular ao eixo da dupla hélice, é favorecido por interações fracas. Os pares de bases se posicionam no interior da dupla hélice, ficando, portanto, protegidos da água. Em contrapartida, o suporte açúcar-fosfato, carregado eletricamente e hidrofílico, localiza-se no exterior, em contato direto com a água. A estabilidade da estrutura helicoidal é diminuída pela repulsão entre os grupos fosfatos dos filamentos. Por isso, eles devem ser mantidos afastados o máximo possível um do outro para reduzir a repulsão eletrostática. Essa repulsão também é neutralizada pela presença de íons positivos, como por exemplo Mg 2+, poliaminas e polipeptídeos com cadeias laterais carregadas positivamente.

29 Forças que estabilizam a dupla hélice do DNA A disposição planar dos átomos dos anéis das bases nitrogenadas permite o empilhamento das bases. Além disso, as bases são hidrofóbicas e praticamente insolúveis em água no ph intracelular. Entretanto, em valores de ph ácidos ou básicos, as bases se tornam carregadas e sua solubilidade em água aumenta. As interações hidrofóbicas existentes entre duas ou mais bases, em que os planos de seus anéis ficam paralelos, constituem uma das interações importantes entre as bases dos ácidos nucléicos. O empilhamento das bases também envolve uma combinação de interações dos tipos Van der Waals e dipolo-dipolo. O empilhamento de bases contribui para minimizar o contato das bases com água e que as forças de empilhamento estabilizam a dupla hélice quase tanto quanto as pontes de hidrogênio.

30 Outras estruturas do DNA O modelo de estrutura do DNA proposto por Watson e Crick corresponde à forma B do DNA, ou simplesmente DNA B. As variações estruturais no DNA são resultados de: diferentes conformações assumidas pela desoxirribose; rotação ao redor das ligações contíguas que suporte açúcar-fosfato; e rotação ao redor da ligação C1 -N-glicosídica. formam o

31 Outras estruturas do DNA Forma B (DNA-B) -Forma mais estável (padrão) -Predominante no DNA cromossômico -10,5 bases por volta

32 Outras estruturas do DNA Forma A (DNA-A) -Variante da forma B pela redução da umidade relativa em 75% -11 pares de bases por volta -Predominante em híbridos DNA-RNA ou RNA-RNA (dupla fita)

33 Outras estruturas do DNA Forma Z (DNA-Z) -Rotação para a esquerda -12 pares de base por volta -Devido à sequencias repetidas C e G -Suspeita-se que é importante para a regulação da expressão gênica e recombinação

34 Desnaturação e Renaturação

35 Propriedades químicas da fita de DNA A Separação das fitas de DNA ocorre pela destruição das ligações de hidrogênio se: O ph de uma solução de DNA for alterado A solução for aquecida (temperatura de fusão) Desnaturação: perda da estrutura helicoidal do DNA Renaturação: refazer a dupla hélice com as fitas complementares de DNA.

36 Propriedades químicas da fita de DNA

37 Alterações na estrutura dos nucleotídeos do DNA As bases nitrogenadas do DNA podem sofrer metilação. - Reconhecimento do próprio DNA em comparação com DNA exógeno não metilado. - Mecanismo de defesa: importante no reparo do DNA em caso de erro na replicação

38 Alterações na estrutura dos nucleotídeos do DNA As bases podem sofrer desaminação mutação

39 Alterações na estrutura dos nucleotídeos do DNA As bases podem sofrer alteração por radiação

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