2 Estrutura dos Ácidos Nucleicos e suas Propriedades Físico químicas

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02/03/2016
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Estrutura dos Ácidos Nucleicos e suas 
Propriedades Físico-químicas
Curso de Biomedicina
Disciplina: Biologia Molecular
Profa. MSc. Tatiana Pires
Manaus, 2016
I- Os Nucleotídeos
Ia - Definição e Funções
 São unidades monoméricas que compõem os ácidos nucleicos;
 Inúmeras funções:
Ia - Definição e Funções
Ib – Purinas e Pirimidinas
 São compostos heterocíclicos nitrogenados, cujos anéis contêm 
carbono e outros elementos (heteroátomos).
 A estrutura planar de ambas facilita sua combinação direta 
“empilhamento”;
 DICA: Estrutura da Purina > que Pirimidina;
Os átomos estão
numerados de acordo
com o SI
Ic – Nucleosídeos e Nucleotídeos
Lenhingher, Princípios da Bioquímica, 2000.
PURINAS
PIRIMIDINAS
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Ic – Nucleosídeos e Nucleotídeos
Nucleosídeos São derivados das purinas e pirimidinas com 1 
açúcar ligado a um nitrogênio do anel de um heterocíclico (“base” 
heterocíclica), ainda que alguns não possuam essa estrutura básica).
Ou seja: 
Nucleotídeos São nucleosídeos com um grupo fosfato 
esterificado a um grupo hidroxila pelo açúcar.
Ou seja: 
1 açúcar + 1 base – sem grupo fosfato!
1 açúcar + 1 base – com grupo fosfato!
Ic – Nucleosídeos e Nucleotídeos
Timidina
NUCLEOSÍDEOS DE RNA e NUCLEOSÍDEO DE DNA
Ic – Nucleosídeos e Nucleotídeos
β-N-glicosídica
β-N-glicosídica
rotação
Ambas as rotações
existem na natureza,
porém a anti
predomina
Estabilização estérica dificulta a rotação em torno da base β-N-glicosídica dos nucleosídeos e
nucleotídeos Conformação sin e Conformaçãoanti
Harper, Bioquímica Ilustrada, 2007.
Ic – Nucleosídeos e Nucleotídeos
Estabilização estérica dificulta a rotação em torno da base β-N-glicosídica dos nucleosídeos e
nucleotídeos Conformação sin e Conformaçãoanti
Lenhingher, Princípios da Bioquímica, 2000.
Ic – Nucleosídeos e Nucleotídeos
Lenhingher, Princípios da Bioquímica, 2000.
Ic – Nucleosídeos e Nucleotídeos
 Algumas propriedades físico-químicas dos Nucleosídeos/Nucleotídeos/Bases:
₋ Propriedade de transferência de grupos;
₋ Nucleosídeos ou bases purínicas e pirimidínicas livres: são apolares em pH fisiológico;
₋ Nucleotídeos possuem carga negativa em pH fisiológico, mas..
₋ Podem atuar como doadores ou receptores de prótons em pH duas ou + unidades acima ou 
abaixo da neutralidade;
₋ Nucleotídeos absorvem luz UV – em pH 7,0 todos os Nt absorvem luz no comprimento de 
onde 260nm (absorbância-concentração)
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Ic – Nucleosídeos e Nucleotídeos
COX, Biologia Molecular – Princípios e Técnicas, 2012..
Base Nucleosídeo Nucleotídeo Abreviação Ácido Nucleico
Adenina Adenosina 
Desoxiadenosina
Adenilato
Desoxiadenilato
AMP
dAMP
RNA
DNA
Guanina Guanosina
Desoxiguanosina
Guanilato
Desoxiguanilato
GMP
dGMP
RNA
DNA
Citosina Citidina
Desoxicitidina
Citidilato
Desoxicitidilato
CMP
dCMP
RNA
DNA
Timina Timidina
Deoxitimidina
Timidilato
Desoxicitidilato
TMP
dTMP
DNA
Uracila Uridina Uridilato UMP RNA
PURINAS
PIRIMIDINAS
ATENÇÃO: Moléculas de DNA e RNA são definidas pelo tipo de açúcar presente na cadeia e não
pela presença de timina ou uracila!
Ic – Nucleosídeos e Nucleotídeos
II- Ligações Químicas
Relembrando....
IIa– Ligações Químicas Fortes
 Todas as moléculas são agregados atômicos em que os átomos se 
mantem unidos por forças de atração conhecidas como ligações 
químicas;
 Algumas são fortes: união estável
 Algumas são fracas: transitórias
IIa– Ligações Químicas Fortes
 Ligação covalente: formada quando dois átomos compartilham o mesmo
par de elétron (é) entre seus núcleos carregados positivamente.
₋ Tendem a compartilhar elétrons de modo que suas camadas de valência fiquem completas
 Ligação iônica ou Pontes salinas: envolvem transferência completa de um ou
mais elétrons (é) de um átomo para o outro.
₋ Quando os é são transferidos, os átomos são convertidos em íons – um POSITIVO e outro
NEGATIVO.
₋ A atração eletrostática entre tais íons que os mantem unidos.
₋ Formam-se, geralmente, entre um metal e um ametal  METAL doa 1 ou + é para um
AMETAL  forma SAL;
₋ Normalmente são + fracas que as covalentes, porém essa força varia de acordo com a [sal]
e hidrofobicidade do meio;
₋ Em moléculas altamente carregadas, íons de metais formam ligações iônicas que ajudam a
estabilizar a estrutural tridimensional;
₋ Mas, inúmeras ligações iônicas em moléculas biológicas são mais fracas que as covalentes.
IIa– Ligações Químicas Fortes
Eletronegatividade: propensão de um
átomo, em uma molécula, de atrair é
para si.
Átomos com tendência a ganhar é são
átomos eletronegativos.
Átomos com propensão a doar é são
átomos eletropositivos.
 Quanto o raio atômico, a
eletronegatividade
 Quanto o raio atômico, a
eletronegatividade
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IIa– Ligações Químicas Fortes IIa– Ligações Químicas Fortes
Ligação simples entre 2 átomos 
envolve 2 é
Ligação dupla entre dois átomos 
envolve 4 é
As moléculas que contem ligações simples e duplas
adjacentes umas às outras  existem em múltiplas
estruturas, fenômeno de ressonância
Este fenômeno afeta o comportamento, por ex., dos
ácidos nucleicos!
IIa– Ligações Químicas Fortes
Todas as ligações química, fracas ou fortes, são o resultado da
atração entre cargas elétricas
H:H  ligação simétrica dos é entre os seus 2 átomos de H.
Estes não possuem carga  Ligação covalente pura
H:O:H(água)  Ligações covalente polares não uniformes  os
é de ligação são compartilhados de modo desigual devido a ≠
de eletronegatividade de H e O. Oxigênio atrai mais é,
enquanto os dois átomos de Hidrogênio apresentam a mesma
qtde de carga + momento de dipolo elétrico.
Moléculas polares – apresentam momento dipolo
Moléculas apolares – não apresentam momento dipolo efetivo
Moléculas como os ácidos nucleicos  apresentam regiões
polares e apolares
IIb– Ligações Químicas Fracas
 As ligações químicas fracas apresentam maior distanciamento entre os
átomos, sendo facilmente rompidas e, individualmente, são transitórias.
Úteis nos sistemas biológicos essenciais na função celular.
 Tipos:
₋ Forças de Van der Waals
₋ Interações hidrofóbicas
₋ Pontes de hidrogênio
IIb– Ligações Químicas Fracas
 Interações de Van der Waals: Quando 2 átomos se aproximam, conforme a
distância entre eles diminui, a indução de cargas transitórias induz uma
interação de atração não-específica.
A medida que a distância entre os
átomos diminui para um valor abaixo do
limiar, surgem as Interações de Van der
Waaals de repulsão  + fortes e causadas
pela sobreposição de camadas de valência
dos átomos.
Raio de Van der Waals  distância em
que as forças de atração e repulsão estão
em equilíbrio  característico de cada
átomo.
IIb– Ligações Químicas Fracas
 Interações Hidrofóbicas: se originam da forte tendência que a água
apresenta de excluir grupamentos apolares, forçando tais grupos a fazerem
contatos entre si.
Estabilizam estrutura de proteínas,
sendo responsáveis pela maior parte da
energia de enovelamento.
Estabilizam estrutura de ácidos nucleicos
que se originam do empilhamento dos
pares de bases.
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IIb– Ligações Químicas Fracas
 Pontes de Hidrogênio: é uma força de atração intermolecular entre duas
cargas elétricas parciais, de polaridades opostas.
₋ Um dos componentes da ligação deve ser um átomo de hidrogênio, que deve estar ligado
covalentemente a um átomo de alta eletronegatividade (O,N ou F)  tal átomo de
hidrogênio é o componente doador de hidrogênio.
₋ O átomo eletronegativo atrai a nuvem de é que circunda o átomo de hidrogênio e, pela
descentralização dessa nuvem, faz com que o átomo de hidrogênio apresente carga parcial
positiva.
₋ A carga parcial positivarepresenta uma grande densidade de carga e pode atrair um par de
é disponível em outro átomo que não seja de hidrogênio.
₋ Outros átomos podem adquirir carga parcial positiva, porém o H é pequeno o suficiente
para se aproximar bastante de outro átomo ou molécula e promover uma interação
energicamente significativa.
IIb– Ligações Químicas Fracas
Uma Ponte de H  não é uma simples
atração entre cargas + e – localizadas em
dois pontos do espaço;
Trata-se de uma ligação que apresenta
preferência de direção e algumas
características de ligação covalente;
Assim, podem variar sua força, de muito
fracas a mais fortes.
Em moléculas biológicas grandes,
centenas de ligações destas podem
significar maior força e estabilidade.
IIb– Ligações Químicas Fracas
III- Estrutura e propriedades dos 
Ácidos Nucleicos
DNA e RNA
IIIa– Ácidos Nucleicos- Definição
 São cadeias quimicamente ligadas de monômeros de nucleotídeos.
IIIb– Ácidos Nucleicos- Nucleotídeos
Nucleotídeo Molécula composta por três componentes típicos:
₋ Base heterocíclica
₋ Açúcar pentose
₋ Grupamento fosfato
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IIIb– Ácidos Nucleicos- Nucleotídeos
As bases nitrogenadas derivam das purinas ou
pirimidinas;
Os átomos de carbono e nitrogênio nas
estruturas originais são numerados de acordo
com a convenção;
Os átomos de carbono nas pentoses são
numerados utilizando-se apóstrofo (´) para
diferenciar dos átomos das bases nitrogenadas;
Nt de DNA  DESOXIRRIBONUCLEOTÍDEOS
Nt de RNA  RIBONUCLEOTÍDEOS
IIIc– Ácidos Nucleicos- Bases Nitrogenadas
As bases nitrogenadas derivam
das purinas ou pirimidinas;
Os átomos de carbono e
nitrogênio nas estruturas originais
são numerados de acordo com a
convenção;
IIId– Ácidos Nucleicos- Pentose
Os Ácidos Nucleicos possuem dois tipos de
pentoses:
D-Ribose - RNA
2´-desoxi-D-Ribose (Desoxirribose) – DNA
IIId– Ácidos Nucleicos- Grupo Fosfato
H3PO4
IIId– Ácidos Nucleicos- Nucleotídeos de DNA e RNA IIId– Ácidos Nucleicos- Ligações Fosfodiéster
Os Nt sucessivos de DNA e RNA são ligados
covalentemente, via Grupo Fosfato “Conector”:
Grupamento 5´-P(Fosfato_ de um Nt é 
ligado ao Grupamento 3´-
OH(Hidroxila) do próximo Nt.
Isto envolve perda de H2O e os Nts
unidos passam a ser chamar “resíduos”
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IIId– Ácidos Nucleicos- Ligações Fosfodiéster IIId– Ácidos Nucleicos- Ligações Fosfodiéster
A POLARIDADE DE UMA CADEIA SIMPLES DE DNA OU RNA É DEFINIDA PELOS 
GRUPAMENTOS QUÍMICOS – O FOSFATO 5´-LIVRE OU 3´- HIDROXILA – NA 
EXTREMIDADE DA CADEIA, E NÃO PELOS OXIGÊNIOS 5´ E 3´DAS LIGAÇÕES 
FOSFODIÉSTER INTERNAS.
CADA UMA DAS MOLÉCULAS LINEARES DE DNA E RNA POSSUI UMA ÚNICA 
EXTREMIDADE 5´E UMA EXTREMIDADE 3´
IIId– Ácidos Nucleicos- Ligações Fosfodiéster IIId– Ácidos Nucleicos- Ligações Fosfodiéster
IIIe– Ácidos Nucleicos- A Estrutura do DNA IIIe– Estrutura do DNA - Descrição
 Dados de Chargaff, 1940:
1. A composição das bases de DNA geralmente varia de uma espécie para outra;
2. Amostra de DNA isoladas de tecidos diferentes, mas da mesma espécie, possuem
a mesma composição de bases;
3. A composição das bases de DNA de uma determinada espécie não é alterada com
a idade do organismo, com seu estado nutricional ou com o ambiente;
4. Em todos os DNAs celulares, independentemente da espécie, o número de
resíduos de adenosina equivale ao número de resíduos de timidina, e o número de
resíduos de citidina equivale ao número de resíduos de guanosina.
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IIIe– Estrutura do DNA - Descrição
Pareamento de Chargaff, 1940:
IIIe– Estrutura do DNA - Descrição
Descrita por Watson e Crick em 1953 - Nature
IIIe– Estrutura do DNA - Descrição
As moléculas de DNA são helicoidais, com duas periodicidades ao
longo do eixo maior: uma principal de 3,4 Ângstrons e uma secundária
de 34 Ângstrons.
O DNA é composto por duas cadeias polinucleotídicas enroladas como dupla hélice torcida
para a direita. A alternância das unidades 2´-Desoxi-D-Ribose e de fosfato forma o esqueleto de
cada cadeia, do qual as bases se projetam para dentro, em direção ao centro da hélice. As bases
são posicionadas de modo a formarem pontes de hidrogênio, entre as cadeias, de acordo com os
pareamentos preferenciais (A com T e G com C). As duas superfícies desiguais formadas pela
torção da hélice são chamadas de sulco maior e sulco menor. As fitas de DNA sempre
apresentam uma polaridade(direção) definida devido à forma assimétrica da ligação de
nucleotídeos que a compõem. Desta forma, as fitas são antiparalelas, ou seja, a cadeia principal
segue na direção 5´-- 3´ e a complementar na direção 3´-- 5´. Essa orientação é mais favorável
energeticamente devido à geometria das bases nitrogenadas. Quase sempre a dupla hélice é
torcida para a direita, porém ocorrem raramente com torção à esquerda.
IIIe– Estrutura do DNA - Descrição
IIIe– Estrutura do DNA - Descrição IIIe– Estrutura do DNA - Descrição
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IIIe– Estrutura do DNA - Descrição IIIe– Estrutura do DNA - Descrição
IIIe– Estrutura do DNA - Descrição IIIe– Estrutura do DNA – Formas diferentes
Os Ácidos Nucleicos são flexíveis e diversas ligações no esqueleto açúcar-
fosfato podem sofrer rotação  Diferentes conformações da desoxirribose,
rotação sobre ligações contíguas que formam o esqueleto ou rotações livres
sobre a ligação glicosídica.
 Variação térmica pode causar dobramento, estiramento e ruptura do
pareamento da fita.
 B-DNA – Descrita por Watson e Crick – Estrutura mais estável em condições
fisiológicas.
 A-DNA – é favorecido em várias soluções com ausência relativa de água. Os
reagentes utilizados na cristalização do DNA, normalmente o desidratam e,
moléculas pequenas de DNA cristalizadas tendem a essa forma.
 Z-DNA – desvio mais radical – aparência em zigue-zague. Algumas
sequências nucleotídicas tem maior tendência a esta forma, p. ex.,
sequências em que pirimidinas são alternadas com purinas, especialmente
alternâncias G e C. Assim os resíduos de purinas trocam para conformação
Syn, alternando com as pirimidinas na conformação Anti. Evidências em
cromossomos eucarióticos e em bactérias.
IIIe– Estrutura do DNA – Formas diferentes IIIe– Estrutura do DNA – Formas diferentes
Regiões nas quais as duas fitas complementares possuem a mesma
sequência quando lidas de 5´-- 3´e 3´-- 5´ são chamadas
PALÍNDROMOS.
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IIIe– Estrutura do DNA – Formas diferentes IIIe– Estrutura do DNA – Formas diferentes
 PALÍNDROMOS são formados por repetições invertidas adjacentes, que
ocorrem nas duas fitas da dupla hélice.
 Tais repetições invertidas são autocomplementares em cada fita e capazes
de constituir estruturas em forma de grampos ou cruciformes. Sequências
assim são encontradas em praticamente todas as moléculas longas de DNA.
 Diversas ESTRUTURAS NÃO USUAIS de DNA podem envolver três (tríplex de
DNA) ou quatro fitas (quadruplex de DNA). São raríssimas, mas importantes,
porque parecem se formar em regiões do DNA ligadas ao início ou regulação
de eventos importantes no metabolismo dessa molécula – O pareamento
dessas hélices chama-se Pareamento de Hoogsteen
 TRIPLEX de DNA normalmente formado em sequências longas contendo
apenas pirimidinas ou apenas purinas em determinada fita.
QUADRUPLEX de DNA ocorre em sequências com alta proporção de G –
regiões das extremidades cromossômicas (telômeros) tendem a formar
essas estruturas
IIIe– Estrutura do DNA – Formas diferentes IIIe– Estrutura do DNA – Formas diferentes
IIIe– Estrutura do DNA – Formas diferentes IIIg– Estrutura do DNA – Supertorção
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IIIg– Estrutura do DNA – Supertorção IIIg– Estrutura do DNA – DNA circular
IIIg– Estrutura do DNA – DNA em céls. eucariontes IIIg– Estrutura do DNA – DNA em céls. eucariontes
IIIg– Estrutura do DNA – DNA em céls. eucariontes IIIg– Estrutura do DNA –DNA em céls. eucariontes
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IIIh– Estrutura do RNA
A descoberta de que as moléculas de RNA são centrais na conversão da
informação genética contida no DNA à proteínas, motivou a busca por
suas estruturas moleculares.
1970 – Descrição da estrutura do tRNA por Alexander Rich, Aaron Klug
e Sung-Hou Kim, de forma independente.
A grande variação das funções dos RNA reflete diretamente em uma
diversidade estrutural muito mais rica e complexa que a do DNA.
Em 1970 demonstraram que a fita simples de RNA é dobrada sobre si
mesma, formando pequenos segmentos de bases pareadas unidos por
regiões não-pareadas Estrutura Secundária do RNA.
IIIh– Ácidos Nucleicos- A Estrutura do RNA
IIIh– Estrutura do RNA
Assim como o DNA, as fitas de RNA são antiparalelas, porém simples
(não formadas por mais de 1 fita), tendendo a adotar conformação à
direita estabilizada pelo empilhamento de bases nitrogenadas.
Porém, diferente do DNA, os segmentos de bases pareadas do RNA são
intercalados por vários outros pareamentos de bases não-Watson e
Crick.
As estruturas de RNA incluem regiões de nucleotídeos não pareados,
capazes de interagir com sequências não contíguas para estabilizar a
estrutura tridimensional.
Tais estruturas produzem formas compactas contendo superfícies ou
fendas que se ligam a outras moléculas ou formam sítios catalisadores
de reações químicas (RNAs com função de enzimas – ribozimas)
IIIh– Estrutura do RNA
Essa grande variedade estrutural do RNA em relação ao DNA está
ligada a:
₋ 1. Pentose do RNA é uma ribose – presença de uma –OH extra  mais
um sítio para ponte de hidrogênio
₋ 2. Uracila e não timina.
₋ 3. Geometria da ribose  A –OH extra influencia na forma do açúcar,
resultando em uma maior proximidade entre os fosfatos nos lados 3´e
5´do açúcar Estrutura mais compacta.
O mal pareamento ou não-pareamento são comuns no RNA.
Pontes de H e interações de Van der Waals estão bastante presentes
em algumas estruturas de RNA
 Ions bivalentes ligam-se blindando a carga negativa do RNA
IIIh– Estrutura do tRNA IIIh– Estrutura do tRNA
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IIIh– Estrutura do tRNA IIIh– Estrutura do rRNA
IIIh– Estrutura do rRNA IIIh– Estrutura do rRNA
IIIh– Estrutura do mRNA IIIh– Estrutura do mRNA
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IIIh– Estrutura do RNA “Hélice dupla” IIIh– Estrutura do RNA 
IIIh– Estrutura do RNA IIIh– Estrutura do RNA 
IV– Propriedades Físico-químicas dos Ácidos Nucleicos
Desnaturação e Degradação:
 Soluções de DNA fita dupla, preparadas com cuidado, são altamente
viscosas em pH 7,0 e à T.A. (25oC);
Extremos de pH e temperatura  diminui viscosidade  alteração
estrutural Desnaturação ou Degradação.
O empilhamento de bases  diminuiu a absorção de UV em relação a
uma solução de mesma concentração, mas com ácidos nucleicos livres.
Pontes de H e empilhamento  limitam a ressonância dos anéis
aromáticos  diminuindo absorção de UV  absorção de UV por
ssDNA é 40% > que absorção de UV por dsDNA Efeito Hipercrômico.
IV– Propriedades Físico-químicas dos Ácidos Nucleicos
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IV– Propriedades Físico-químicas dos Ácidos Nucleicos IV– Propriedades Físico-químicas dos Ácidos Nucleicos
IV– Propriedades Físico-químicas dos Ácidos Nucleicos IV– Propriedades Físico-químicas dos Ácidos Nucleicos
IV– Propriedades Físico-químicas dos Ácidos Nucleicos IV– Propriedades Físico-químicas dos Ácidos Nucleicos
DNA – mais estável que RNA fita simples
DNA é estável em pH mais alcalino ~7.5-8.3
RNA é estável em pH mais ácido~ 5.0-6.8
 Soluções alcalinas (NaOH)/Formamida/Ureia  desestabilizam pontes
de H
 Sais estabilizam os grupos fosfatos
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IV– Propriedades Físico-químicas dos Ácidos Nucleicos
Melt Temperature – Tm – Temperatura de Desnaturação:
As moléculas de DNA em solução são desnaturadas quando aquecidas
lentamente;
Cada tipo de DNA possui uma Tm, definida como a temperatura na
qual metade do DNA está desnaturado. Assim... Quanto maior o
número de Pareamentos GC, maior a Tm.
Regiões desnaturadas do DNA pode ser visualizadas à microscopia
eletrônica.
A separação das fitas de DNA ocorrem in vivo e pode-se conduzi-las in
vitro.
IV– Propriedades Físico-químicas dos Ácidos Nucleicos
Duplex de RNA ou híbridos de DNA-RNA também podem ser
desnaturados;
Os duplex de RNA são mais estáveis que o DNA fita dupla;
Em pH neutro, a desnaturação de moléculas duplex de RNA costuma
exigir temperaturas de 20oC ou mais da temperatura exigida para
desnaturar DNA.
A estabilidade de híbrido DNA-RNA é intermediária entre as fitas
duplas de DNA e RNA.
IV– Propriedades Físico-químicas dos Ácidos Nucleicos IV– Propriedades Físico-químicas dos Ácidos Nucleicos
IV– Propriedades Físico-químicas dos Ácidos Nucleicos FIM!!!