Biologia Molecular Básica Módulo I Básico 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: Identificar diferenças estruturais entre o DNA e o RNA. Estudar a fórmula estrutural dos nucleotídeos, identificando as três partes que os compõem. Identificar a principal diferença entre os nucleotídeos e os nucleosídeos. 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. Profª. Christina Gaspar Villela Extensão de Biologia Fundação CECIERJ/CEDERJ 1
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 Profª. Christina Gaspar Villela Extensão de Biologia Fundação CECIERJ/CEDERJ 2
(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 C 1 (lê-se carbono 1 linha ), a partir do carbono mais à esquerda na figura, até C 5 (lê-se carbono 5 linha ), no sentido horário. Repare que a pentose está ligada pelo C 5 a um grupo fosfato e pelo C 1 a uma base nitrogenada. Note também que as pentoses podem apresentar um grupamento OH ligado ao C 2 (D-ribose) ou um H ligado ao C 2 (2 - desoxi-d-ribose). 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. Profª. Christina Gaspar Villela Extensão de Biologia Fundação CECIERJ/CEDERJ 3
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. Têm esse nome por derivarem da purina e da pirimidina, respectivamente. A purina apresenta dois 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 C 4 e o C 5, 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. Profª. Christina Gaspar Villela Extensão de Biologia Fundação CECIERJ/CEDERJ 4
Os 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 C 1 da pentose através de uma ligação N-glicosídica envolvendo a posição 9 (N 9 ). 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 C 1 da pentose através de uma ligação N-glicosídica envolvendo a posição 1 (N 1 ). 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! Profª. Christina Gaspar Villela Extensão de Biologia Fundação CECIERJ/CEDERJ 5
2.3. 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. 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 C 5 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 C 1 da pentose através de ligação N-glicosídica. Figura 5 Profª. Christina Gaspar Villela Extensão de Biologia Fundação CECIERJ/CEDERJ 6
4. Propriedades dos Nucleotídeos e Nucleosídeos 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 dos Nucleotídeos e Nucleosídeos 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 7
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 C 3 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 C 5 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. Profª. Christina Gaspar Villela Extensão de Biologia Fundação CECIERJ/CEDERJ 8
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 Profª. Christina Gaspar Villela Extensão de Biologia Fundação CECIERJ/CEDERJ 9
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 C 5 de um nucleotídeo e o grupo hidroxila do carbono C 3 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 (P 2 O 3-6 ) e água. Observe a seguir a reação entre dois nucleotídeos para a formação de um dinucleotídeo. Profª. Christina Gaspar Villela Extensão de Biologia Fundação CECIERJ/CEDERJ 10
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. Figura 9 Profª. Christina Gaspar Villela Extensão de Biologia Fundação CECIERJ/CEDERJ 11
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. Profª. Christina Gaspar Villela Extensão de Biologia Fundação CECIERJ/CEDERJ 12