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1 A Célula e seus Constituintes Moleculares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Maria Lucia R. Rossetti 2 Estrutura dos Ácidos Nucleicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Augusto Schrank 3 Cromatina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 Henrique Bunselmeyer Ferreira 4 Genes e Genomas Procarióticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Henrique Bunselmeyer Ferreira 5 Genes e Genomas Eucarióticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85 Henrique Bunselmeyer Ferreira 6 Replicação do DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Irene Silveira Schrank 7 Mutação e Reparação do DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Luciane M. P. Passaglia 8 Recombinação Genética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 Luciane M. P. Passaglia 9 Elementos Genéticos Móveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 Elgion Loreto | Henrique Bunselmeyer Ferreira Sumário Zaha_5ed_Iniciais.indd xiZaha_5ed_Iniciais.indd xi 12/12/13 17:3412/12/13 17:34 S u m á ri o x ii 10 Transcrição. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 Augusto Schrank 11 Mecanismos de Processamento e Maturação de RNA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .233 Charley Christian Staats 12 Código Genético e Síntese de Proteínas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .255 Irene Silveira Schrank | Marilene Henning Vainstein 13 Controle da Expressão Gênica em Procariotos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .277 Sérgio Ceroni da Silva | Irene Silveira Schrank | Luiza Amaral de Castro 14 Controle da Expressão Gênica em Eucariotos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .301 Arnaldo Zaha 15 Biologia Molecular do Desenvolvimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .319 Vera Lúcia S. Valente Gaiesky 16 Técnicas de Biologia Molecular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 Luciane M. P. Passaglia | Arnaldo Zaha 17 Bioinformática na Análise de Genes e Genomas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 Ana Tereza Ribeiro de Vasconcelos | Darcy Fontoura de Almeida Glossário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383 Índice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .395 Zaha_5ed_Iniciais.indd xiiZaha_5ed_Iniciais.indd xii 12/12/13 17:3412/12/13 17:34 1. Estruturas celulares 2 1.1 Células de procariotos e eucariotos 3 1.2 Organelas 4 2. Constituintes moleculares 4 2.1 Aminoácidos e proteínas 4 2.1.1 Estrutura tridimensional da proteína 8 2.2 Carboidratos 9 2.3 Lipídeos 10 2.3.1 Ácidos graxos 10 2.3.2 Fosfoacilgliceróis 12 2.3.3 Esteroides 12 2.4 Ácidos nucleicos 13 2.4.1 Ácido desoxirribonucleico 14 2.4.2 Ácido ribonucleico 14 Capítulo 1 Maria Lucia R. Rossetti A Célula e seus Constituintes Moleculares Zaha_5ed_01.indd 1Zaha_5ed_01.indd 1 27/11/13 10:2727/11/13 10:27 2 Todos os organismos vivos são constituídos de peque- nas estruturas denominadas células. Essas estruturas, que representam a menor unidade de vida, são bastante complexas e diversas, sendo que nelas estão contidas as características morfológicas e fisiológicas dos organismos vivos. As propriedades de um determinado organismo dependem de suas células individuais, cuja continuidade ocorre por meio de seu material genético. A forma mais simples de vida ocorre em células isoladas, que se propa- gam por divisão celular. Já os organismos superiores, como o próprio homem, são constituídos de agregados celulares que desempenham funções especializadas. As células de diferentes organismos são muito simi- lares quanto à estrutura e a constituintes moleculares, apesar das diferenças organizacionais fundamentais existentes. Ao analisar os constituintes moleculares, é importante considerar não apenas as propriedades indi- viduais das moléculas, como também as interações exis- tentes entre elas e a sua localização dentro da célula. Essa análise é ainda mais necessária quando se considera um organismo multicelular e os eventos que ocorrem em seu interior, a fim de produzir a diferenciação e o desenvolvi- mento desse organismo. Assim, este capítulo busca for- necer, uma breve revisão sobre a estrutura celular, seus constituintes moleculares e as interações realizadas por esses compostos. 1. Estruturas celulares As primeiras observações e a própria denominação de células para as unidades estruturais, nas quais são reali- zadas todas as funções necessárias à manutenção e à pre- servação da vida, foram feitas por Robert Hooke, em 1665. Todas as células, independentemente da complexidade do organismo, possuem uma mesma estrutura formada pela membrana plasmática, que circunda o conteúdo celu- lar e o separa do meio extracelular pelo citosol e pelo nú- cleo (ou nucleoide). A Figura 1.1 representa uma célula eucariótica e suas principais estruturas. O citosol é todo o volume interno celular, composto por uma solução aquo- sa complexa com várias partículas e moléculas dispersas. O tamanho e a forma da célula variam muito e não têm nenhuma relação com o tamanho do organismo. Algumas células vivem isoladas, como os organismos unicelu- lares, porém as dos organismos pluricelulares, em geral, se relacionam umas com as outras. A membrana celular plasmática, que circunda todas as células, é formada basicamente por uma dupla camada de lipídeos da classe dos fosfolipídeos e, em quantida- des variáveis, se associada com moléculas proteicas (ver Figura 1.1). O limite entre o meio intracelular e extracelu- lar é definido pela membrana plasmática. Para entrar ou sair de uma célula, uma substância deve transpor a mem- brana celular; portanto, isso dependerá da permeabili- dade da membrana. Essa bicamada lipídica é permeável a certos gases, como O2 e CO2, e impermeável a muitas substâncias, como açúcar, aminoácidos e íons inorgâni- cos (K+ e Cl-). A água pode difundir-se livremente atra- vés da célula. Muitas proteínas estão ligadas à membrana plasmática (permeases ou transportadoras), formando canais na bicamada lipídica e facilitando a passagem de certas substâncias. Dessa forma, todas as células, de to- dos os organismos, possuem características estruturais comuns, como a arquitetura de suas membranas e muitos B io lo g ia M o le cu la r B á si ca Citosol Núcleo Complexo de Golgi Membrana plasmática Cromossomos Lisossomo Nucléolo Mitocôndria Membrana celular Centríolos Retículo endoplasmático Ribossomos Exemplos de diferentes células Célula epitelial Célula muscular Célula nervosa Célula de tecido conectivo Figura 1.1 Representação esquemática de uma célula animal (célula de eu- carioto) com suas principais es- truturas e organelas celulares. As características principais são a presença de um núcleo bem definido, que contém o genoma, e das organe- las celulares, que compartimentali- zam determinadas funções. Em des- taque, diferentes tipos celulares.Zaha_5ed_01.indd 2Zaha_5ed_01.indd 2 27/11/13 10:2727/11/13 10:27 3 A C é lu la e se u s C o n stitu in te s M o le cu la re s processos metabólicos, até a replicação de DNA, a síntese proteica e a produção de energia química. 1.1 Células de procariotos e eucariotos Apesar da similaridade existente entre as células que constituem os seres vivos, os organismos mantêm dife- renças fundamentais em nível celular, podendo ser clas- sificados em dois grandes grupos: os procariotos e os eucariotos. Os organismos procariotos são unicelula- res e mais simples em sua organização, embora possam ocorrer associados a grupos, formando colônias com al- guma diferenciação de funções. Os procariotos incluem as bactérias e as arqueas (bactérias que sobrevivem em ambientes não usuais, como lagos salinos, piscinas térmicas e pântanos). Os organismos eucariotos são mais complexos e incluem não somente plantas pluricelulares, animais e fungos, mas também protozoários e alguns or- ganismos unicelulares, como leveduras e algas verdes. A Tabela 1.1 compara as principais características celulares dos organismos procariotos e eucariotos, possi- bilitando, então, evidenciar as semelhanças e as diferen- ças existentes. A principal diferença entre procariotos e eucariotos é que, nos eucariotos, encontram-se organelas, princi- palmente o núcleo, que contém o genoma. As organelas são regiões delimitadas por membranas internas, que formam compartimentos, nos quais se realizam funções especializadas. Nos procariotos, a ausência de envoltório nuclear deixa o genoma em contato direto com o restante do citoplasma, em um espaço dentro da célula denomina- do nucleoide, ficando junto de ribossomos, outras par- tículas e uma grande variedade de moléculas dissolvidas (Figura 1.2). As células de procariotos possuem, normalmente, além da membrana plasmática, uma parede celular, cuja função é proporcionar maior rigidez e proteção mecânica. Essa membrana também está presente em células eucari- óticas vegetais. A composição química da parede celular de procariotos é bastante complexa, contendo moléculas de polissacarídeos, lipídeos e proteínas (camada de pep- tideoglicano). A parede celular dos vegetais contém celulose e outros polímeros. Células de fungos também estão circundadas por uma parede celular de composição diferente das de vegetais e bactérias. As bactérias gram- -negativas possuem, ainda, uma membrana externa, que circunda a parede celular. Essa parede celular é perme- ável a muitas substâncias químicas com peso molecular superior a 1 kDa. Dentro da membrana plasmática, está o citoplasma, constituído pelo citosol – componente aquoso. O citoplasma de células eucarióticas difere do citoplasma de células procarióticas pela presença das organelas e de proteínas filamentosas, que constituem o chamado citoesqueleto. Entre essas proteínas estão os filamentos de actina e os microtúbulos, envolvidos na geração de movimentos celulares, na determinação da forma celular e na capacidade de arranjar as organelas. Outra diferença fundamental observada entre proca- riotos e eucariotos é em relação ao material genético. A informação genética de organismos procarióticos apre- senta-se, geralmente, em uma ou mais moléculas circu- lares de DNA. As bactérias são conhecidas por possuírem um único cromossomo. O arranjo de genes, dentro des- se cromossomo, difere muito do arranjo em um cromos- Ribossomo Material genético (nucleoide) Parede celular Membrana citoplasmática Figura 1.2 Representação esquemática da orga- nização de uma célula de procarioto. O nucleoide composto pelo genoma não está delimitado por uma membrana. Presença de uma parede celular. Tabela 1.1 Principais características celulares de procariotos e de eucariotos Procariotos Eucariotos Organização Principalmente unicelular Principalmente pluricelular Membrana citoplasmática Bicamada fosfolipídica; rara presença de esterois Bicamada fosfolipídica; presença de esterois e carboidratos Núcle0 Ausente Definido pela membrana nuclear Citoplasma Sem citoesqueleto Citoesqueleto constituído Motilidade Flagelos simples Flagelos complexos; pseudópodes; outros órgãos de locomoção mais complexos Organelas Poucas ou nenhuma Presentes: lisossomos, complexo de Golgi, retículo endoplasmático (RE), mitocôndria e cloroplastos Parede celular Contém glicopeptídeos, lipídeos, proteínas Quando presente, contém quitina ou celulose Zaha_5ed_01.indd 3Zaha_5ed_01.indd 3 27/11/13 10:2727/11/13 10:27 B io lo g ia M o le cu la r B á si ca 4 somo de células eucarióticas. Nas células eucarióticas, o DNA nuclear é dividido em dois ou mais um desses cro- mossomos. Cada um desses cromossomos é formado por uma molécula de DNA linear que, exceto durante a divi- são celular, está confinada dentro do núcleo. Essas molé- culas de DNA estão associadas a proteínas, chamadas de histonas, formando os nucleossomos, componentes da cromatina. O número e o tamanho dos cromossomos individuais variam muito entre os diferentes organismos eucarióticos. Os fungos, por exemplo, possuem de 12 a 18 cromossomos; células humanas contêm dois conjun- tos de 23 cromossomos, cada um tem aproximadamente trinta vezes a quantidade de DNA presente em uma célula da bactéria Escherichia coli. Uma descrição mais detalha- da sobre o tema será feita nos Capítulos 4 e 5. O DNA não é encontrado apenas no núcleo, mas também na mitocôndria das células de animais, plantas e fungos e no cloroplasto das plantas. Essa é uma das evi- dências que sugere a evolução dessas organelas a partir de bactérias que sofreram endocitose por células an- cestrais. O DNA dessas organelas contém genes que co- dificam proteínas específicas para o funcionamento da própria organela. 1.2 Organelas Existem organelas comuns a todas as células eucarióticas (ver Figura 1.1), sendo talvez o núcleo a mais importante dessas organelas. O núcleo é envolto por uma membrana nuclear dupla, que possui como característica, além da cromatina, uma região rica em RNA, denominada nu- cléolo. No nucléolo, os RNAs são sintetizados a partir de um molde de DNA e, posteriormente, exportados para o citoplasma através da membrana nuclear. A mitocôn- dria, outra importante organela, possui enzimas espe- cializadas em processos oxidativos que produzem energia para a célula. Além disso, o DNA e os ribossomos também são encontrados no interior da mitocôndria. O retículo endoplasmático é uma estrutura for- mada por membranas distribuídas por todo o citoplasma e ligadas tanto à membrana celular como à membrana nuclear. O RE granuloso possui ribossomos ligados às suas membranas, que constituem a maquinaria molecu- lar para a síntese proteica. Já o complexo de Golgi é uma estrutura formada por membranas e vesículas, envolvido na modificação e na secreção de proteínas das células. Existem organelas específicas para células vegetais e animais. As células animais, por exemplo, contêm li- sossomos com a função de digestão, e as células vegetais possuem cloroplastos, local onde se realiza a fotossín- tese. Outra característica, comum à maioria das células vegetais e a alguns microrganismos, é a presença de va- cúolo, cuja função é a estocagem de nutrientes e metabó- litos. Cada organela possui uma coleção própria de enzi- mas catalizadoras de reações específicas, desenvolvendo um papel único no crescimento e no metabolismo celular. As organelas celulares estão ligadas a uma rede de mi- crotúbulos constituídos de proteínas filamentosas, de- nominado citoesqueleto. Essa estrutura é responsável por manter a forma da célula e auxiliar nos movimentos celulares. 2. Constituintes moleculares Os constituintes moleculares são responsáveispelas in- terações bioquímicas entre milhares de moléculas que permitem a vida celular. Essas reações químicas acon- tecem em meio aquoso, por isso, a água, com poucas exceções (célula óssea), é o componente encontrado em maior quantidade na célula, sendo indispensável para a atividade metabólica. A água, devido a sua natureza po- lar, serve como solvente natural para íons, minerais e ou- tras substâncias e, também, como meio de dispersão para a estrutura coloidal do citoplasma. A presença de íons, como Cl-, Na+ e K+, é importante para manter a pressão osmótica e o equilíbrio acidobásico da célula. Alguns íons inorgânicos, como o magnésio, são necessários na fun- ção de cofatores enzimáticos. Outros, como o fosfato inorgânico, formam adenosina trifosfato (ATP), principal fonte de energia química dos processos vitais e os íons cálcio desempenham um papel regulador. Além da água e dos elementos químicos citados, a célula é constituída por pequenas moléculas e macromo- léculas. As pequenas moléculas, como aminoácidos, nu- cleotídeos, lipídeos e açúcares constituem os substratos e os produtos de vias metabólicas, fornecendo energia para a célula e podendo, também, ser as unidades formadoras das macromoléculas. Nessa estrutura de polímero bioló- gico, essas moléculas são chamadas de monômeros ou resíduos. As células são constituídas, basicamente, por três ti- pos de polímeros: ácidos nucleicos – formados pelos nucleotídeos (monômero); proteínas – constituídas pelos aminoácidos; e carboidratos ou polissacarídeos – cujos monômeros são os açúcares ou monossacarídeos. As células possuem uma grande quantidade de lipídeos que, diferentes dos demais, não são polímeros, sendo, de preferência, moléculas pequenas. O lipídeo mais simples e abundante é o ácido graxo, que participa da compo- sição de outras moléculas de lipídeos mais complexas, como os triacilgliceróis. As estruturas maiores, como a bicamada das membranas biológicas e as fibras do citoes- queleto, são formadas pela associação dessas macromo- léculas. 2.1 Aminoácidos e proteínas As proteínas resultam da expressão da informação conti- da no gene. Por isso, é o gene que determinará a sequên- cia de aminoácidos de uma proteína específica. Assim, toda proteína possui uma ordem definida de resíduos de aminoácidos, que, por sua vez, estabelece sua estrutura tridimensional ativa, denominada conformação nati- va (Figura 1.3). A estrutura tridimensional da molécula, Zaha_5ed_01.indd 4Zaha_5ed_01.indd 4 27/11/13 10:2727/11/13 10:27 5 A C é lu la e se u s C o n stitu in te s M o le cu la re s estabelecida conforme a própria sequência de aminoáci- dos, pode ser observada em experimentos de desnatura- ção de uma determinada proteína. As alterações em sua forma natural (nativa), por mudanças nas condições do meio (alterações de pH, temperatura, adição de solven- tes) onde se encontra a proteína, com consequente perda de sua função biológica, podem, algumas vezes, serem recuperadas. O restabelecimento da conformação nati- va – a renaturação proteica – pode ocorrer quando as condições do meio em que a molécula se encontra são restabelecidas, possibilitando que os aminoácidos voltem a interagir. O enrolamento de uma proteína globular é um processo energeticamente favorável, sob condições fi- siológicas, que permite as interações entre os grupamen- tos químicos. As proteínas são classificadas em duas classes princi- pais: fibrosas e globulares. As proteínas fibrosas, em sua maioria, desenvolvem um papel estrutural nas células e nos tecidos animais. Nessa classe estão o colágeno, com- ponente dos ossos e do tecido conectivo, e a �-queratina, presente em unhas e cabelo. As proteínas globulares são assim chamadas por possuírem uma estrutura enovela- da e compactada, com formato globular; abundantes e essenciais, elas podem ser encontradas em quaisquer organismos. Um exemplo são as enzimas, eficientes ca- talisadores biológicos que aceleram as reações químicas. Com exceção de alguns RNAs (ribozimas), que possuem atividade catalítica, todas as enzimas são proteínas. Toda proteína globular tem uma estrutura única, enovelada de forma específica e de acordo com a função particular a ser executada. Já que a estrutura de uma proteína determina a sua função, é importante conhecer as características estrutu- rais dessa molécula. As proteínas são cadeias longas de aminoácidos e constituem mais da metade do peso seco de uma célula. Elas também são polímeros que desempe- nham inúmeras funções biológicas, além de determina- rem a forma e a estrutura da célula. As proteínas são, ain- da, conhecidas como moléculas que realizam o trabalho celular. Elas catalisam um extraordinário número de rea- ções químicas, controlam a permeabilidade das membra- nas, regulam a concentração de metabólitos, reconhecem e ligam não covalentemente outras biomoléculas, propor- cionam movimento e controlam a função gênica. Todo Vírus: Parasitas celulares Tanto as células eucarióticas como as procarióticas podem ser infectadas por partículas virais muito pequenas, que estão distribuídas na natureza. Essas partículas não celulares variam quanto à forma e à complexidade estrutural e, geralmente, são formadas por uma partícula central (core) de nucleoproteí- nas, envolta por um capsídeo composto de uma ou mais proteínas (Figura Q.1). Alguns vírus também possuem uma membrana lipoproteica envolvendo o capsídeo (envelope viral). O genoma viral pode ser de DNA ou RNA, mas não de ambos. A replicação viral ocorre somente em células vivas, devido à incapacida- de genética de replicação de forma autônoma. A maio- ria dos vírus de DNA de plantas e animais necessita de enzimas nucleares das células hospedeiras para realizar a transcrição de mRNA e, assim, a síntese de proteínas virais. Em geral, os vírus de DNA replicam e agrupam-se no núcleo e os de RNA agrupam-se no ci- toplasma. Os vírus mais simples contêm RNA ou DNA suficiente para codificar quatro proteínas; os mais complexos podem codificar de 100 a 200 proteínas. A maioria dos vírus infecta um número limitado de células, determinado pelo tipo de proteína presente na superfície viral, que se ligará especificamente a proteínas receptoras da célula hospedeira. Os vírus que infectam bactérias são conhecidos como bacte- riófagos ou fagos. O genoma de alguns vírus pode ser integrado ao genoma da célula hospedeira, como no caso do retrovírus, cujo genoma de RNA serve de molde para uma molécula de DNA. Alguns retrovírus possuem genes causadores de câncer (oncogenes), ca- pazes de transformar a célula infectada em uma célula tumoral. As alterações celulares causadas pela presen- ça de um vírus variam bastante, desde simples para- sitas sem nenhum efeito, até altamente patogênicos, como, por exemplo, os que causam Aids, hepatites e câncer em seres humanos. Os vírus também possuem importância no controle biológico e como ferramenta de pesquisa. Capsídeo Envelope Proteína Proteína Material genético Partícula central (core) Figura Q.1 Desenho esquemático representati- vo da organização de uma partícula viral. O material genético do vírus está envolto por uma camada proteica (cap- sídeo) e por um envelope formado por uma dupla camada de fosfoacilgliceróis e proteínas, que reconhecem receptores celulares. Zaha_5ed_01.indd 5Zaha_5ed_01.indd 5 27/11/13 10:2727/11/13 10:27 B io lo g ia M o le cu la r B á si ca 6 esse diverso número de funções é realizado por proteínas constituídas por apenas 20 aminoácidos, entre todos os aminoácidos possíveis, unidos por ligações peptídicas. Como a conformação nativa, que permite à proteína realizar as suas funções, é uma consequência das proprie- dadesindividuais características dos aminoácidos pre- sentes na molécula proteica, é importante revisar essas propriedades. Os aminoácidos são assim chamados por serem ácidos orgânicos, que possuem um átomo de car- bono � (C�) ligado a quatro grupamentos químicos dife- rentes. Um grupamento amínico (-NH2), um grupamen- to carboxílico (-COOH), um átomo de hidrogênio (-H) e um grupamento variável, são denominados cadeia lateral ou radical (-R). A Figura 1.4 apresenta a estrutura de todos os vinte aminoácidos conhecidos. Observando essa estrutura, é possível verificar que o grupamento R de- termina as diferenças estruturais entre os aminoácidos. Com exceção da glicina, que possui um átomo de hidro- gênio também no radical, todos os demais aminoácidos possuem quatro grupamentos diferentes ligados ao C�, dando origem a um carbono assimétrico. A presença des- se carbono assimétrico gera duas moléculas de imagem especular não superpostas (estereoisômeros), deno- minadas, por convenção, isômero D (dextro) e L (levo). Com raras exceções, apenas os aminoácidos de forma L são encontrados nas proteínas. Em pH fisiológico, os grupamentos amínico e carboxílico dos aminoácidos são ionizados (NH3+ e COO-), fazendo com que o aminoáci- do tenha cargas positiva e negativa na mesma molécula (molécula dipolar). A presença simultânea desses gru- pamentos determina o comportamento acidobásico dos aminoácidos (moléculas anfóteras). O caráter acidobá- sico, bem como a carga elétrica do aminoácido, é deter- minado pelo pH do meio onde ele se encontra. As cadeias laterais dos aminoácidos variam em tama- nho, forma, carga elétrica, hidrofobicidade e reatividade. Os aminoácidos com cadeias laterais polares são hidro- fílicos e tendem a se localizar na superfície da proteína, devido a suas interações com a água. Além disso, quanto mais aminoácidos polares estiverem presentes na pro- teína, mais solúvel em soluções aquosas ela será, porém os aminoácidos com grupamentos R apolares, por serem hidrofóbicos, tendem a estar presentes no interior das proteínas e provocarem sua insolubilidade em água. Na Figura 1.4, está representada a estrutura dos vinte ami- noácidos em pH fisiológico (próximo de 7), que foram classificados conforme a solubilidade em água. A solubili- dade varia com a polaridade de seus grupamentos R. No grupo dos polares, arginina e lisina (polares bási- cos) são carregadas positivamente, e glutamato e asparta- to (polares ácidos) são carregados negativamente, esses quatro aminoácidos são os principais responsáveis pelas cargas das proteínas. A histidina, que também tem carga positiva, auxilia na manutenção do pH (tampão fisioló- gico), pela sua capacidade de captar ou liberar prótons por meio do grupamento imidazol presente no radical. Pertencendo à classe dos aminoácidos polares neutros, a cisteína pode reagir com outros resíduos de cisteína por meio do grupamento tiol (SH), presente no radical para formar pontes dissulfeto (S–S) em uma reação de oxi- dação. Esta ligação tem uma participação importante na conformação das proteínas. DNA RNA Proteína Transcrição do DNA (síntese de RNA) 3'5' 3'5' COOHH2N 5'3' Códons Aminoácidos Síntese de proteína Proteína globular Conformação nativa Figura 1.3 Esquema de síntese de uma proteína globular a partir da informação contida no DNA e transcrita no RNA. A estrutura tridimensional funcional (proteína nativa) será determinada pela sequência de aminoácidos. Zaha_5ed_01.indd 6Zaha_5ed_01.indd 6 27/11/13 10:2727/11/13 10:27 7 A C é lu la e se u s C o n stitu in te s M o le cu la re s A p ol ar es (H id ro fó b ic os ) P ol ar es (H id ro fíl ic os ) P ol ar es s em c ar ga G lic in a (G ly ) A la ni na (A la ) Va lin a (V al ) Le uc in a (L eu ) Is ol eu ci na (Il e) M et io ni na (M et ) P ro lin a (P ro ) Fe ni la la ni na (P he ) Tr ip to fa no (T rp ) S en na (S er ) Tr eo ni na (T hr ) C is te ín a (C ys ) A sp ar ag in a (A sn ) G lu ta m in a (G ln ) Ti ro si na (T yr ) P ol ar es c om c ar ga ne ga tiv a (Á ci d os ) A sp ar ta to (A sp ) G lu ta m at o (G lu ) P ol ar es c om ca rg a p os iti va (B ás ic os ) Li si na (L ys ) A rg in in a (A rg ) H is tid in a (H is ) + – H 3N + H 3N H H C C H C H 3 C O O + – H 3N + H 3N + H 3N + H 3N + H 3N + H 3N C H 2O H C H 3 C H 2 C H 2 C H 2 O H C H 2 H 2N H 2N S H C H 2 H O H C H H H C H H C H C C C C O O C C C O O – C O O – C O O – C O O – C O O – – C O O + H 3N C H 2 C O O – C O O H C – C O O + H 3N + + H 3N + H 3N + H 3N + H 2N + H N N H 2 C H 2 C H 2 C H 2 C H 2 C H C N H C H C H 2 C H 2 N H C C H 2 C H 2 C H 2 C H 2 N H 3 H H C H C H C C – C O O – C O O – C O O – C O O – C O O + H 3N H 3C C H 3 H C C H – C O O + H 3N H 3C H 2C C H 3 C H 3 C H 3 H C C H C H 2 – C O O + H 3N + H 3N H 2C H 2C + H 2N + H 3N + H 3N H C C H C C C H C H N H H C H C H C H 2 C H 2 C H 2 C H 2 C H 2 C H 3 S – C O O – C O O – C O O – C O O – C O O F ig u ra 1 .4 R e p re se n ta çã o d a e st ru tu ra q u ím ic a d o s 2 0 a m in o á ci d o s q u e c o m p õ e m a s p ro te ín a s. A p ar te d a es tr u tu ra a p re se n ta d a em é ig u al p ar a to d os . A p ar te r ep re se n ta d a p el o ra d ic al ( R ) é a qu e d if er en ci a os a m in oá ci d os . N es ta fi gu ra , e le s es tã o se p ar ad os c on fo rm e as s u as c ar ac te rí st ic as d e p ol ar id ad e. Zaha_5ed_01.indd 7Zaha_5ed_01.indd 7 27/11/13 10:2727/11/13 10:27 B io lo g ia M o le cu la r B á si ca 8 Os aminoácidos com cadeias laterais hidrofóbicas são quase insolúveis em água, consequência da presença de hidrocarbonetos nestes grupamentos. A fenilalanina, o triptofano e a tirosina possuem grupamentos aromáticos, responsáveis pela característica de absorção de luz ultra- violeta das proteínas no comprimento de onda de 280 nm. Prolina é um aminoácido especial, uma vez que a sua cadeia lateral está ligada covalentemente ao nitrogênio do grupamento amínico, formando um anel rígido. A pre- sença da prolina em uma cadeia proteica pode restringir a forma como a molécula irá se enovelar. Durante a síntese da molécula proteica, os aminoá- cidos vão se unindo por uma ligação covalente (ligação peptídica) entre o grupamento carboxílico de um amino- ácido com o grupamentoamínico de outro aminoácido, ligados por uma reação de desidratação, com a perda de uma molécula de água. A molécula formada gera um pep- tídeo e mantém o seu caráter anfótero, já que sempre fi- cará um grupamento carboxílico livre em uma extremida- de (C-terminal) e um grupamento amínico livre na outra extremidade (N-terminal) (ver Figura 1.5). A combina- ção de apenas dois aminoácidos forma um dipeptídeo; a união de poucos aminoácidos dá origem a oligopeptídeos. Um polipeptídeo é formado por muitos aminoácidos (às vezes, um número superior a 1.000). A sequência de uma cadeia proteica é, por conven- ção, escrita com a extremidade N-terminal à esquerda e a C-terminal à direta. O tamanho de uma proteína é, em geral, expresso pela sua massa em daltons (Da). Existem também proteínas conjugadas, essencialmente impor- tantes que, para realizarem sua atividade celular, ne- cessitam estar ligadas a outras moléculas não proteicas, os denominados grupos prostéticos. A essa categoria pertencem as nucleoproteínas, as lipoproteínas e as cro- moproteínas. As enzimas formam uma importante classe de proteínas que catalisa todas as reações químicas. Algu- mas delas, quando envolvidas em reações de oxirredução, só possuem atividade quando ligadas covalentemente a uma coenzima (grupo prostético), como a nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD+), cuja estrutura é formada por um anel de nicotinamida, um anel de adenina e dois grupos de açúcares fosfatados unidos. 2.1.1 Estrutura tridimensional da proteína A formação de uma cadeia polipeptídica, consideran- do a polimerização correta dos aminoácidos, é realizada no processo de tradução e determinada pela informação contida no RNA mensageiro (mRNA). A cadeia proteica sintetizada assume uma organização espacial precisa e necessária, para que a proteína desempenhe a sua função (conformação nativa). A estrutura tridimensional de uma proteína é a combinação de vários fatores, princi- palmente de interações entre os grupamentos químicos presentes nessa proteína e de limitações estereoquími- cas impostas pela própria ligação peptídica, devido ao caráter de ressonância hídrica. Essa ressonância impede a rotação do carbono ligado ao nitrogênio, deixando to- dos os átomos envolvidos na ligação peptídica no mesmo plano (ver Figura 1.5). As proteínas são analisadas con- siderando os quatro níveis de organização estrutural. A Figura 1.6 esquematiza esses níveis, do menor ao maior grau de complexidade, exemplificados pela estrutura pri- mária e quaternária, respectivamente. A estrutura primária é a primeira etapa na especi- ficação da análise estrutural de uma proteína e refere-se à sequência de aminoácidos, ou seja, a ordem na qual os aminoácidos estão ligados para formar uma cadeia pep- tídica (Figura 1.6A). Nesta estrutura também estão loca- lizadas as ligações peptídicas e as pontes S–S formadas entre os resíduos de cisteína. São as ligações peptídicas que estabilizam este tipo de estrutura. Cada proteína pos- sui a sua estrutura primária específica, que, por sua vez, H H H H N C C O H H O H C C C O OH H CN H H N OH H CH3 CH3 H2O H2O O OH H H N C C Ligação peptídica N-terminal C-terminal Ligação peptídica Glicina Alanina Dipeptídeo Figura 1.5 Desenho esquemático da formação de um peptídeo por meio da ligação entre o grupamento carboxíli- co de um aminoácido e o grupamento amínico de outro (ligação peptídica). Zaha_5ed_01.indd 8Zaha_5ed_01.indd 8 27/11/13 10:2727/11/13 10:27 9 A C é lu la e se u s C o n stitu in te s M o le cu la re s determina a estrutura tridimensional. A importância bio- lógica da sequência de aminoácidos é bem exemplificada na enfermidade hereditária humana, chamada de doença das células falciformes. Nessa doença, ocorrem mudan- ças biológicas profundas, provocadas pela substituição de um único aminoácido na molécula de hemoglobina (ver Capítulo 7). A estrutura secundária se refere aos diversos arranjos espaciais de aminoácidos próximos na cadeia peptídica central, que provocam dobramentos. Tais do- bramentos são denominados estruturas secundárias. Esses arranjos podem apresentar uma organização que se repete em intervalos regulares. As organizações de es- truturas secundárias mais comuns são a �-hélice, a folha �-pregueada e as curvaturas (Figura 1.6B). As �-hélices, em que a cadeia peptídica se enrola em torno de um eixo imaginário, são estabilizadas por pontes de hidrogênio formadas entre o grupamento amínicos da ligação pep- tídica de um aminoácido e o grupamento carboxílico da ligação peptídica do aminoácido situado quatro resí- duos adiante na mesma cadeia polipeptídica. As folhas �-pregueadas ocorrem quando os aminoácidos assumem a conformação de uma folha pregueada. A folha � é es- tabilizada pela formação de pontes de hidrogênio entre os grupamentos amínicos e carboxílico de cadeias poli- peptídicas vizinhas, em vez de ocorrer dentro da pró- pria cadeia, como é o caso das �-hélices. As curvaturas geralmente ocorrem na superfície da proteína, formando dobras definidas que redirecionam a cadeia. Essas cur- vaturas são compostas por três a quatro resíduos, e um deles é prolina. Essas dobraduras permitem a compacta- ção de proteínas volumosas. Existem também, segmen- tos na proteína que não fazem ligações transversais não covalentes, formando configurações menos organizadas. Um polipeptídeo pode ser composto por um único tipo de estrutura secundária, como no caso da �-queratina, que é composta apenas por �-hélices, ou, ainda, a proteína pode possuir vários tipos de estruturas secundárias na mesma cadeia, como é o caso do citocromo C. A estrutura terciária refere-se à forma como a cadeia polipeptídica está enovelada, incluindo o arranjo tridimensional de todos os átomos da molécula, inclusi- ve os da cadeia lateral e do grupo prostético. Este nível estrutural é estabelecido quando diferentes estruturas se- cundárias se dispõem entre si. A estabilidade da estrutura é mantida por pontes de hidrogênio entre grupos peptí- dicos não envolvidos na estrutura secundária, por pontes de hidrogênio entre grupos R, por interações hidrofóbi- cas, por ligações iônicas entre grupos carregados positiva e negativamente e por ligações covalentes do tipo dissul- feto (S–S) (Figura 1.6C). Nas proteínas globulares, as ca- deias laterais dos aminoácidos mais hidrofóbicos tendem a se agregar no interior da molécula, e os grupamentos hidrofílicos se sobressaem da superfície da proteína. A es- trutura tridimensional final pode ser composta pela com- binação específica de estruturas secundárias, �-hélices, folhas � entre outras, que se enovelam, formando unida- des globulares dobradas de forma compacta, chamadas de domínios. A estrutura terciária de proteínas maiores é subdividida em domínios, esses domínios possuem em torno de 100 a 150 aminoácidos e estão unidos pela ca- deia peptídica. Proteínas com mais de um polipeptídeo, formando subunidades (proteínas multiméricas), apresentam mais um nível estrutural, a estrutura quaternária (Figura 1.6D). Essa estrutura refere-se à disposição das subuni- dades proteicas que formam a molécula. O número de su- bunidades pode variar e a união entre elas ocorre de for- ma não covalente, por meio de interações eletrostáticas, pontes de hidrogênio e hidrofóbicas. Algumas proteínas, chamadas de alostéricas, exibem um efeito cooperativo entre as subunidades, de forma que uma alteração em uma dessas subunidades pode resultar em uma modifi- cação em outra subunidade. Um bom exemplo é a molé- cula de hemoglobina, molécula tetramérica, composta de quatro cadeias polipeptídicas formando as subunidades. Cada subunidade se liga a uma molécula de oxigênio de forma cooperativa,ou seja, depois que uma molécula de oxigênio é ligada a uma subunidade, a ligação das demais moléculas é facilitada. 2.2 Carboidratos Os carboidratos, ou monossacarídeos, são açúcares sim- ples e representam uma das grandes classes de molécu- las biológicas com uma variedade de funções celulares. Os polissacarídeos são polímeros com longas cadeias de unidades de monossacarídeos e constituem a principal fonte de energia celular. Eles são, também, constituintes estruturais importantes da parede celular, atuando como V V ES S T O O L I”L L R R R A A M M K N LA KO FL D V T V IK A CS D O N C’ R ET VG R IL KM LE D P GG IO M G DP H TM IO O G I RT E GR IA A OT L L LN N C DCBA Folha �-pregueada �-hélice Figura 1.6 Desenho da estrutura tridimensional de uma proteína com os diferentes níveis organizacionais. As estruturas estão dispostas do nível menos complexo de organização para o mais complexo. (A) estrutura primária; (B) estruturas secundá- rias; (C) estrutura terciária; (D) estrutura quaternária. Zaha_5ed_01.indd 9Zaha_5ed_01.indd 9 27/11/13 10:2727/11/13 10:27 B io lo g ia M o le cu la r B á si ca 10 sinais de reconhecimento específico e desempenhando um papel informacional. Além disso, são também subs- tâncias intercelulares com função estrutural. Os carboidratos são formados por ligações covalen- tes de carbono, em uma relação 1:1, e água (CH2O)n, em que n pode ser de 3 a 7. Eles são classificados de acordo com o número de átomos de carbono presentes na mo- lécula: trioses (3), pentoses (5) ou hexoses (6). Todos os monossacarídeos podem conter vários grupamentos hi- droxílicos e um grupamento aldeídico ou cetônico. Esses dois grupamentos podem reagir com um grupamento hi- droxílico na mesma molécula, por meio de uma reação hemiacetal ou hemicetal, convertendo a estrutura linear para uma com formato de anel. O tipo de anel gerado será decorrente da ligação e de qual hidroxila se ligará com a carbonila. Um exemplo é a D-glicose, fonte primá- ria de energia para a maioria das células. A estrutura da D-glicose pode se apresentar como uma cadeia linear ou como um anel hemiacetal, com duas estruturas diferentes (Figura 1.7). Quando o grupamento aldeídico do carbo- no 1 reage com o grupamento hidroxílico do carbono 5, o anel resultante possui 6 elementos, gerando uma D-glico- piranose. Se a ligação hemiacetal ocorrer com o carbono 4, a estrutura é uma D-glicofuranose, cuja presença na natureza é muito mais rara. Todos os monossacarídeos, exceto a dihidroxiacetona, contêm um ou mais carbonos assimétricos gerando estereoisômeros oticamente ativos (D e L). A ciclização da estrutura linear gera novos isô- meros, denominados anômeros �, por estarem ligados ao carbono anomérico. Os oligossacarídeos são moléculas formadas, na sua maioria, pela ligação de poucas unidades mono- méricas. Um exemplo é a sacarose, um dissacarídeo formado pela união de uma molécula de glicose e uma de frutose que, após processado, produz o açúcar co- mum utilizado na alimentação (Figura 1.8). Os polis- sacarídeos mais importantes nos organismos vivos são o amido e o glicogênio, pois representam substâncias de reserva, ou seja, a forma de estocagem de energia nas células vegetais e animais. O glicogênio é um po- lissacarídeo formado pela ligação de várias moléculas de glicose (ver Figura 1.9). A celulose também é um importante polissacarídeo e é o principal elemento es- trutural da parede celular da célula vegetal. Os dissacarídeos, assim como os polissacarídeos, são formados por monossacarídeos, unidos covalentemente por ligações glicosídicas. Essas ligações são formadas quando um grupamento hidroxílico do carbono ano- mérico de um carboidrato reage com o grupamento hidroxílico de outro carboidrato (ver Figura 1.8). Esses grupamentos hidroxílicos livres podem, ainda, ligar-se com outros grupamentos amínico, sulfato e fosfato de di- ferentes moléculas, formando moléculas mais complexas, como os glicosaminoglicanos, principais componentes da matriz extracelular. 2.3 Lipídeos Os lipídeos formam um grupo de compostos caracterís- tico, que possuem múltiplas funções celulares e ocorrem com frequência na natureza. Geralmente, são moléculas pequenas que apresentam uma forte tendência a se as- sociarem por meio de forças não covalentes, formando agregados lipídicos. Os lipídeos são, em geral, caracte- rizados por um tipo de estrutura própria, conforme é mostrado na Figura 1.10A para os ácidos graxos. Uma molécula de ácido graxo possui duas regiões distintas: uma região polar, hidrofílica, conectada a uma região apolar, hidrofóbica, constituída de uma cadeia de hidro- carboneto. Esse tipo de estrutura caracteriza os lipídeos como um grupo de compostos pouco solúveis em água e solúveis em solventes orgânicos. Essa característica molecular promove as associações do tipo anfipáticas – reuniões das moléculas lipídicas com interações não covalentes em meio aquoso. Essas interações possuem consequências consideráveis em nível celular, a mais importante delas é a tendência de os lipídeos formarem micelas e bicamadas, que constituem as membranas bio- lógicas (ver Figura 1.10B e C). A estrutura exata, formada quando o lipídeo está em contato com a água, depende da estrutura molecular específica das regiões hidrofílicas e hidrofóbicas da molécula. A seguir, alguns dos princi- pais lipídeos celulares. 2.3.1 Ácidos graxos Os lipídeos mais simples são os ácidos graxos, também constituintes dos lipídeos mais complexos. Sua estrutura básica exemplifica a maioria das moléculas de lipídeos Glicose Forma linear Forma cíclica H OH CH2OHC C C H HO H CH OH CH OH C H H OH OH OH OH OH OH 1 6 5 4 1 3 2 2 3 4 5 6 O Figura 1.7 Estrutura linear e cíclica da gli- cose. A forma cíclica é resultante da ligação entre a carbonila do carbono 1 e a hidroxila do carbono 6, gerando uma glicopiranose. Zaha_5ed_01.indd 10Zaha_5ed_01.indd 10 27/11/13 10:2727/11/13 10:27 11 A C é lu la e se u s C o n stitu in te s M o le cu la re s �-Glicose CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH H2O CH2OH CH2OH H H H OHHH HOH OH OH OH H H OH H H H HO H OH H OH OH O HO H H H HO Frutose Sacarose Ligação glicosídica O O O O + + Figura 1.8 Estrutura química do dissacarídeo sacarose. A sacarose é formada pela ligação glicosídica entre uma molécula de glicose e uma molécula de frutose. Ligação � 1,6 Ligação � 1,4 Glicogênio HOCH2 6 HOCH2 6 HOCH2 6 HOCH2 6 HOCH2 6 HOCH2 6 HOCH2 6 6 444 44 11 111 H H H H H H H H H H H H H OH H H H OH OH OH OH OH H 4 1 H H OH OH H 4 1 H H OH OH H 4 1 H H OH OH H OH H H H H HHHHHHH OH H H H O O OOOO O R CH2 OHO OH OH O O O O O O O O Figura 1.9 Desenho da estrutura polimérica do glicogênio. O glicogênio é um polímero ramificado de monômeros de glicose unidos por ligações glicosídicas, que ocorrem entre os carbonos 1 e 4, exceto onde a molécula se ramifica (1 e 6). A zona correspondente ao círculo é mostrada ampliada. Zaha_5ed_01.indd 11Zaha_5ed_01.indd 11 27/11/13 10:2727/11/13 10:27 B io lo g ia M o le cu la r B á si ca 12 encontrada em grande quantidade nas células humanas. A estrutura do ácido graxo é formada por uma longa ca- deia hidrocarbonada, hidrofóbica e pouco reativa qui- micamente. Em geral, osácidos graxos encontrados nos organismos vivos contêm um número par de átomos de carbono, e sua cadeia de hidrocarboneto não é ramifica- da. Os ácidos graxos são classificados em saturados, in- saturados ou poli-insaturados, dependendo das ligações entre os átomos de carbono. Nos ácidos graxos satura- dos, a cadeia contém apenas ligações simples, se existi- rem ligações duplas, os ácidos graxos são insaturados. Os ácidos graxos com mais do que uma ligação dupla são chamados de poli-insaturados. Dois ácidos graxos poli- -insaturados, classificados como essenciais, são o ácido linoleico, com 18 carbonos e duas ligações duplas, e o linolênico, também com 18 carbonos, porém com três ligações duplas. A molécula de ácido graxo é formada por um grupa- mento carboxílico extremamente hidrofílico, ionizável em solução (COO-). Eles formam moléculas de triacilgli- cerois (triglicerídeos), que são triésteres de ácido graxo e glicerol (ver Figura 1.11A), conhecidos como gorduras. Os triacilgliceróis são a forma de estocagem de lipídeos no citoplasma de muitas células, pois, devido à presen- ça da cadeia carbonada, servem como excelente fonte de energia. Dessa forma, os triacilgliceróis são mais efi- cientes como estoque de energia que os carboidratos e, por essa razão, muito utilizados por vários organismos, incluindo os animais superiores. 2.3.2 Fosfoacilgliceróis Os fosfoacilgliceróis, ou fosfolipídeos, são pequenas moléculas lipídicas, compostas por longas cadeias de ácido graxo e glicerol, ligadas a um grupo altamente polar (Figura 1.11B). Eles diferem dos triacilgliceróis por possuírem ape- nas duas moléculas de ácidos graxos unidas a uma molécula de glicerol, cuja terceira hidroxila está esterificada a um áci- do fosfórico (ácido fosfatídico). Esse fosfato pode estar uni- do a uma molécula hidrofílica (colina, etanolamina, inositol ou serina), conforme o tipo de fosfoacil. A natureza anfipáti- ca dos fosfoacigliceróis é responsável pelas associações mo- leculares, que formam a membrana celular e conferem mui- tas das suas propriedades. As membranas são basicamente duas camadas de fosfoacilgliceróis dispostas de forma que as regiões hidrofóbicas ficam voltadas para o interior e as regiões hidrofílicas situadas nas interfaces aquosas. Esse ar- ranjo em bicamada é a unidade estrutural de quase todas as membranas biológicas. O núcleo hidrofóbico da estrutura atua como uma barreira de impermeabilidade. 2.3.3 Esteroides Os esteroides são um grande grupo de moléculas, que agregam várias funções, e incluem um considerável nú- mero de hormônios, entre eles os hormônios sexuais de animais superiores. O colesterol é o esteroide de maior importância, fazendo parte de membranas de células, principalmente de animais (Figura 1.11C). Os esteroides derivam de uma estrutura geral que contém 3 anéis de 6 carbonos (anéis A, B e C) e um anel com 5 átomos. A Cabeça polar C A U D A A P O L A R Hidrofílica Micela Bicamada Hidrofóbica Estrutura geral de lipídeo BA C Figura 1.10 Desenho esquemático de uma estru- tura de lipídeos (A) e formas de as- sociações anfipáticas (B). A associa- ção em bicamadas (C) é a base molecular das membranas. Zaha_5ed_01.indd 12Zaha_5ed_01.indd 12 27/11/13 10:2727/11/13 10:27 13 A C é lu la e se u s C o n stitu in te s M o le cu la re s molécula de colesterol é pouco anfipática, pois existe um grupamento hidroxílico localizado no final da molécula (ver Figura 1.11C). O restante da molécula de colesterol é solúvel no interior hidrofóbico das membranas. Os anéis cicloexanos fusionados dessa molécula formam uma es- trutura bastante rígida e sua presença na membrana ten- de a romper a regularidade da estrutura, conferindo-lhe maior rigidez. Essa estrutura compacta também é res- ponsável pelos efeitos danosos à saúde, como a ateroscle- rose – doença cardiovascular provocada pelo armazena- mento de colesterol nos vasos sanguíneos. 2.4 Ácidos nucleicos Os ácidos nucleicos são macromoléculas de grande im- portância biológica em todos os organismos vivos. A partir dos ácidos nucleicos as células recebem as informações so- bre quais proteínas sintetizar, qual a sequência de aminoá- cidos de sua estrutura e qual a função dessas moléculas. Eles são, portanto, as moléculas que estocam e transmitem a informação genética na célula. Toda essa informação fica em unidades gênicas, localizadas nos cromossomos das cé- lulas. Tal informação é decifrada por meio do código gené- tico, cuja tradução resulta na síntese proteica. Existem dois tipos de ácidos nucleicos: ácido de- soxirribonucleico (DNA) e ácido ribonucleico (RNA). Ambos são polímeros lineares de nucleotídeos, unidos por ligações fosfodiéster. O número de monômeros em uma molécula de ácido nucleico é, na maioria dos ca- sos, muito maior que o número de aminoácidos em uma proteína. Os RNAs variam em tamanho, podendo ter de dez a milhares de nucleotídeos. Tanto o DNA como o RNA consistem em apenas quatro diferentes tipos de nucleotídeos. Cada nucleotídeo é composto por um grupamento fosfato, um açúcar (pentose) e uma base nitrogenada (pú- rica ou pirimídica) unidos por ligações covalentes (ver Fi- gura 2.1 do Capítulo 2). As diferenças entre os dois ácidos nucleicos residem no tipo de açúcar e na composição de bases da molécula. No RNA, a pentose é sempre a ribo- se e, no DNA, é a desoxirribose. As bases que formam os ácidos são cinco: adenina (A), guanina (G) e citosina (C), encontradas tanto no DNA como no RNA; a base timina (T) presente apenas no DNA, e a base uracila (U), apenas no RNA (ver Figura 2.2 do Capítulo 2). Essas letras (A, C, G, T e U) são utilizadas para indicar uma sequência de nucleotídeos em um ácido nucleico. Além dessas cinco bases, existem bases não usuais com estrutura um pouco H H C C O O H C C O O H C H C O O HO H3C H3C CH3 CH3 CH-CH2-CH2-CH2-CH-CH3 CH3 CH3 CH2 CH2 CH2CH CH2 O O O O OOC CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 CH2 CH2 CH CH CH2 CH2 CH3 C O O CH3N P Fosfoacilglicerol Triacilglicerol Colesterol B A C Figura 1.11 Desenho da arquitetura molecular de lipídeos. (A) Triacilglicerol; (B) Fosfoacilglicerol; (C) Colesterol. Zaha_5ed_01.indd 13Zaha_5ed_01.indd 13 27/11/13 10:2727/11/13 10:27 B io lo g ia M o le cu la r B á si ca 14 diferenciada, que ocorrem principalmente no RNA, como a hipoxantina e a inosina. O açúcar faz a ligação entre a base e o grupamento fosfato. Conforme mostrado na Figura 2.3 do Capítulo 2, a ligação é entre o C 1 do açúcar e o N 9 da purina ou N 1 da pirimidina. O grupamento hidroxílico do C 5 do açúcar é substituído por um grupamento fosfato. A combinação de uma base e um açúcar, sem o grupa- mento fosfato, constitui um nucleosídeo. Quando nu- cleotídeos polimerizam-se para formar um ácido nu- cleico, o grupamento hidroxílico ligado ao C 3 do açúcar de um nucleotídeo forma uma ligação éster com o fos- fato de outro (ligação fosfodiéster), eliminando, assim, uma molécula de água e formando um esqueleto de uni- dades repetidas de fostatopentose com as bases ligadas ao grupamento lateral. Uma sequência de nucleotídeos possui uma orienta- ção química de muita importância. Em uma fita de DNA ou RNA, em uma das extremidades, há um grupamento fosfato ligado ao C 5 (carbono 5') do açúcar (extremidade 5') e na outra extremidade há um agrupamento hidroxí- lico ligado ao C 3 (carbono 3') do açúcar (extremidade 3') (ver Figura 2.3 do Capítulo 2). Convencionou-se escrever e ler a sequência nucleotídica da esquerda para a direita, no sentido 5' → 3'. A cadeia polinucleotídica possui indi- vidualidade, determinada pela sequênciade suas bases, conhecida como estrutura primária e é nessa estrutura primária que a informação genética está contida. O gene corresponde a uma sequência particular de DNA, codifi- cadora de uma informação (proteína ou RNA). 2.4.1 Ácido desoxirribonucleico O ácido desoxirribonucleico (DNA) encontra-se nos or- ganismos vivos como moléculas, de alto peso molecular, por exemplo, E. coli que tem uma só molécula de DNA circular de 4,2 x 106 pb (pares de bases) e um comprimen- to total de 1,4 mm. A quantidade de DNA nos organismos superiores pode ser centenas de vezes maior (700 vezes no caso do homem); o DNA de uma só célula diploide humana, completamente estendido, pode ter um compri- mento de 1,7 m. Toda a informação genética de um organismo está acumulada na sequência linear das quatro bases. A es- trutura primária de todas as proteínas (quantidade e se- quência dos 20 aminoácidos) deve estar codificada por um alfabeto de quatro letras (A, T, G e C). Entre 1949 e 1953, Chargaff, estudando a composição de bases do DNA, demonstrou que embora a composição variasse de uma espécie para outra, em todos os casos a quantidade de adenina era igual à de timina (AT), e a de citosina era igual à de guanina (CG). Assim, o número total de purinas era igual ao de pirimidinas (A+G C+T). Por outro lado, a relação AT/GC variava, de forma considerável, entre as espécies. Em 1953, com base em dados de difração por raios X, Watson e Crick propuseram um modelo para a estru- tura do DNA. Esse modelo explicava as regularidades da composição de bases, principalmente sua duplicação na célula. O modelo da estrutura da molécula do DNA está ilustrado na Figura 2.4, no Capítulo 2. O DNA é com- posto de duas cadeias polinucleotídicas associadas, que se enrolam para formar uma hélice dupla em torno de um eixo central com giro para a direita, na maioria das vezes. As bases estão no interior da hélice, em um pla- no perpendicular ao eixo helicoidal, interagindo através de pontes de hidrogênio que unem as duas cadeias. As pontes de hidrogênio, entre as bases de cadeias opostas, e as interações hidrofóbicas, entre as bases adjacentes na mesma cadeia, estabilizam essa estrutura. Uma vez que, entre os dois açúcares das cadeias opostas existe uma distância fixa, apenas alguns pares de bases po- dem acomodar-se dentro da estrutura. Assim, os únicos pares possíveis são A/T e C/G. É importante notar que entre A e T há formação de duas pontes de hidrogênio e entre C e G, três pontes; em consequência disso, o par C/G é mais estável que o par A/T. Além dessas pontes de hidrogênio, ainda existem interações hidrofóbicas que estabilizam a hélice dupla. A orientação das duas fitas de DNA é antiparalela, ou seja, o sentido 5'→ 3' de cada uma é oposto ao da outra. 2.4.2 Ácido ribonucleico O ácido ribonucleico (RNA) é uma molécula de ácido nucleico formada, em geral, por uma única cadeia com grande diversidade de conformações. A sequência de ba- ses (estrutura primária) é similar à do DNA, exceto pela substituição da desoxirribose por ribose e de timina por uracila. Existem três classes principais de ácido ribonu- cleico: RNA mensageiro (mRNA), que contém a infor- mação genética para a sequência de aminoácidos; RNA transportador (tRNA), que identifica e transporta as mo- léculas de aminoácidos até o ribossomo; e RNA ribossô- mico (rRNA), que representa 50% da massa dos ribosso- mos. O ribossomo proporciona as condições moleculares para a síntese dos polipeptídeos. Todos os tipos de RNAs intervêm na síntese proteica. A estrutura e a função dos RNAs serão detalhadas nos Capítulos 2 e 12. Ainda que a molécula de RNA seja constituída por apenas uma cadeia polinucleotídica, sua estrutura não é simples. As moléculas de RNA possuem regiões onde as bases são complementares, nas quais se estabelecem pontes de hidrogênio entre pares A/U e G/C de diferen- tes regiões da mesma molécula. Como consequência dessas interações, a molécula se volta sobre si mesma, formando estruturas características, chamadas de gram- pos e alças. Nas regiões pareadas, a molécula se adapta em uma estrutura helicoidal, semelhante a do DNA. A estrutura compacta das moléculas de RNA tem impor- tantes consequências biológicas. As diferenças de tama- nho e conformações dos vários tipos de RNA permitem que eles desempenhem funções específicas. Os tRNAs possuem uma estrutura conformacional que permite o pareamento dos nucleotídeos do anticódon presentes na molécula com os nucleotídeos do códon do mRNA (ver Capítulo 12). Alguns RNAs, denominados ribozimas, têm atividade catalítica. Zaha_5ed_01.indd 14Zaha_5ed_01.indd 14 27/11/13 10:2727/11/13 10:27 15 A C é lu la e se u s C o n stitu in te s M o le cu la re s Apesar da grande diversidade existente entre os orga- nismos, todos são constituídos por pequenas unidades morfológicas, denominadas células, separadas do meio externo por uma membrana citoplasmática. Os organismos podem ser classificados em dois grandes grupos, conforme a sua organização celular. Os orga- nismos eucarióticos possuem um núcleo delimitado por uma membrana que envolve o material genético e a compartimentalização de várias de suas funções em organelas. Os organismos procarióticos são estrutu- ralmente mais simples, em geral, unicelulares e o seu cromossomo está condensado no nucleoide, porém, sem estar envolvido por uma membrana. A vida celu- lar depende de milhares de interações químicas reali- zadas por moléculas que são comuns a todo tipo celu- lar. A água é o componente encontrado em maior quantidade na célula e serve como solvente natural para que as reações químicas celulares aconteçam. Além da água, a célula é constituída de pequenas mo- léculas e de biopolímeros formados por muitas cópias de uma pequena molécula, ligada em cadeias por liga- ções covalentes. Os três tipos de biopolímeros presen- tes nas células são: os ácidos nucleicos – formados pelos nucleotídeos unidos por uma ligação fosfodiés- ter; as proteínas – constituídas pelos aminoácidos li- gados através da ligação peptídica; e os carboidratos ou polissacarídeos – cujos monômeros são os açúcares ligados por ligação glicosídica. As células ainda pos- suem uma grande quantidade de lipídeos que são, pre- ferencialmente, moléculas pequenas, como os ácidos graxos, apresentando como característica principal serem praticamente insolúveis em água. A estrutura geral de um lipídeo é de uma molécula anfipática com uma cauda apolar e uma cabeça polar. Esse tipo de es- trutura é responsável pelas interações não covalentes realizadas pelos fosfolipídeos para formarem a dupla camada que origina as membranas celulares. As pro- teínas são sintetizadas no organismo conforme a in- formação contida nos genes que constituem o genoma. O gene corresponde a um segmento de ácido desoxir- ribonucleico (DNA), que é transcrito em diferentes ti- pos de ácidos ribonucleicos (RNAs) para a tradução da molécula de proteína. A estrutura tridimensional da proteína é determinada pela sequência de aminoáci- dos presente na molécula. Aminoácidos com cadeias laterais hidrofóbicas tendem a agregar-se no interior da proteína, evitando o ambiente aquoso. A preserva- ção da conformação nativa de uma proteína é depen- dente das condições do meio, como pH e temperatura, em que a proteína se encontra. Resumo Alberts B, Johnson A, Walter P, Lewis J, Raff M, Roberts K. Molecular biology of the cell. 5th ed. New York: Garland Science; 2008. Campbell MK, Farrell SO, Tasks A. Bioquímica. 5. ed. São Paulo: Thomson; 2007. Devlin TM. Manual de bioquímica com correlações clínicas. São Paulo: Edgard Blucher; 2007. Lewin B. Genes IX. 9. ed. Porto Alegre: Artmed; 2009. Lodish H, Baltimore D, Berk A, Zipursky L, Matsudaira PT.Biologia celular e molecular. 5. ed. Porto Alegre: Artmed; 2005. Persing DH, editor. Molecular microbiology: diagnostic principles and practice. Washington: ASM Press; 2004. Voet D, Voet JG. Bioquímica. 3. ed. Porto Alegre: Artmed; 2006. Leituras recomendadas Zaha_5ed_01.indd 15Zaha_5ed_01.indd 15 27/11/13 10:2727/11/13 10:27 1. DNA 18 1.1 Composição química 18 1.2 Hélice dupla 19 1.2.1 Estrutura 19 1.2.2 Propriedades químicas 23 1.3 Supertorção 25 1.4 Topoisomerases 27 1.5 Tipos de DNA 29 1.6 Outras estruturas do DNA 31 1.6.1 Curvatura 31 1.6.2 Estruturas cruciformes 31 1.6.3 Junções de Holliday 31 2. RNA 31 2.1 Composição química 32 2.2 Estrutura secundária 32 2.3 Classes de RNA 32 Estrutura dos Ácidos Nucleicos Augusto Schrank Capítulo 2 Zaha_5ed_02.indd 17Zaha_5ed_02.indd 17 27/11/13 09:2027/11/13 09:20 B io lo g ia M o le cu la r B á si ca 18 A estrutura dos ácidos nucleicos está relacionada à sua função. Essas moléculas são polímeros formados por ca- deias de nucleotídeos, cuja composição (tipo e sequência) determina suas características químicas. Essas caracte- rísticas definem a sua interação com outras macromolé- culas na célula, em particular, com as proteínas e a sua conformação espacial (forma da molécula). A conforma- ção espacial está diretamente relacionada à função e à atividade das macromoléculas na célula. Na natureza, são encontradas todas as formas de DNA e RNA: DNA de ca- deia dupla, DNA de cadeia simples, RNA de cadeia dupla e RNA de cadeia simples. A importância dos ácidos nucleicos na célula levou algum tempo para ser compreendida. A função do DNA, de armazenar a informação genética na sequência de suas quatro bases nitrogenadas componentes (A, C, G e T), foi, durante muito tempo, atribuída às proteínas. Devido à variedade de combinações possíveis entre os 20 ami- noácidos diferentes com as proteínas (podendo, assim, conferir maior variabilidade e potencial para armazenar informações genéticas), e à dificuldade de obter prepara- ções de DNA totalmente livres de proteínas, a comprova- ção de qual molécula armazenava a informação genética foi demorada. O DNA foi descoberto por Friedrich Mies- cher, em 1869, entretanto, as suas funções primordiais foram sugeridas pela primeira vez apenas 75 anos depois, em 1944, por Avery, MacLeod e McCarty. Esta proposição foi definitivamente comprovada em 1952, por Hershey e Chase e, no ano seguinte, Watson e Crick propuseram a estrutura de hélice dupla do DNA. Estes últimos autores também apresentaram estudos sobre como esta molécula seria duplicada e lançaram as bases para a transferência da informação genética para as proteínas, utilizando os RNAs como moléculas intermediárias neste processo. Em relação aos estudos dos RNAs, recentemente os genomas possibilitaram a descoberta de muitas novas classes de RNAs, revelando que essas novas classes têm participa- ção fundamental na fisiologia da célula. As descobertas mencionadas promoveram uma série de avanços na biologia. Atualmente, sabe-se que a molé- cula de DNA não é um mero depositário da informação genética, e que os RNAs representam muito mais do que apenas intermediários na transferência das informações às proteínas. Neste capítulo, serão abordados aspectos da estrutura do DNA e dos RNAs e de sua inter-relação com as proteínas. 1. DNA 1.1 Composição química O ácido desoxirribonucleico (DNA) é um polímero composto por unidades de desoxirribonucleotíde- os. Ele é uma macromolécula muito longa, para termo de comparação, enquanto uma célula eucariótica comum tem cerca de 50 �m, o menor cromossomo humano, se estendido, possui aproximadamente 14.000 �m, ou seja, um único cromossomo humano é 280 vezes mais longo que o diâmetro da célula que o contém. Os desoxirribonucleotídeos são compostos por: um açúcar, uma base nitrogenada e grupamentos fosfato (PO4–). O açúcar é a pentose desoxirribose (2'-desoxi-D- -ribose); que está ligada pelo carbono 1' a uma base nitro- genada heterocíclica e pelo carbono 5' a grupamentos fos- fato (Figura 2.1). As bases nitrogenadas podem ser de dois tipos: as bases púricas (derivadas das purinas), que são a adenina (A) e a guanina (G), e as bases pirimídicas (derivadas das pirimidinas), que são a citosina (C) e a timi- na (T) (Figura 2.2). A ligação entre a base nitrogenada e a pentose é denominada ligação glicosídica. A molécula composta pela base nitrogenada ligada ao açúcar, sem gru- pamentos fosfato, é denominada nucleosídeo. Quando um grupamento fosfato está ligado ao carbono 5' da pento- se, a molécula é denominada nucleotídeo, que pode ser mono, di ou tri-fosfatado, dependendo do número de fos- fatos a ele ligados. O primeiro grupamento fosfato ligado ao nucleotídeo é denominado � (alfa), o segundo � (beta) e o terceiro � (gama). A molécula de DNA conterá sempre nucleotídeos mono-fosfatados e os precursores para a sua síntese serão sempre trifosfatados. Os desoxirribonucleo- tídeos são denominados de acordo com a base nitrogenada componente e com o número de grupamentos fosfato liga- dos à pentose (Tabela 2.1). Na molécula de DNA, os desoxirribonucleotídeos formam cadeias, sendo unidos entre si por ligações co- valentes, formando pontes fosfodiéster estabelecidas entre o grupamento fosfato (5'-PO4, ou, simplificadamen- te 5'-P) e o grupamento hidroxílico (3'-OH) do carbono 3' do nucleotídeo adjacente (Figura 2.3). Isso confere às cadeias polinucleotídicas uma propriedade importan- te, que é a direcionalidade. O “primeiro” nucleotídeo da cadeia terá uma extremidade 5' com um grupamento fosfato, e o “último” nucleotídeo na extremidade 3' terá um grupamento hidroxílico. O próximo nucleotídeo a ser adicionado à cadeia, obrigatoriamente, será adicionado na extremidade 3'-OH da cadeia polinucleotídica (ver Capítulo 5). As cadeias polinucleotídicas são, por conven- ção, representadas na orientação 5'→3', e apenas as letras indicativas das bases nitrogenadas são representadas, como no exemplo: 5'-AACGTTGCTATCGT-3', ou, mais comumente, AACGTTGCTATCGT Estudos detalhados sobre a estrutura cristalográfica do DNA demonstraram que os ângulos das ligações cova- lentes e as interações entre as nuvens eletrônicas confe- rem certa rigidez à conformação espacial das cadeias do DNA, mesmo quando somente uma das cadeias (fitas) é formada. O maior grau de rotação ocorre nas ligações entre o oxigênio e o fósforo (ligação fosfodiéster) e en- tre a pentose e a base nitrogenada (ligação glicosídica). Entretanto, mesmo nessas posições, existem localizações preferenciais, demonstrando que as moléculas de DNA assumem conformações espaciais não aleatórias. Estas características químicas das cadeias de DNA contribuem para a formação da hélice dupla. Zaha_5ed_02.indd 18Zaha_5ed_02.indd 18 27/11/13 09:2027/11/13 09:20 19 E stru tu ra d o s Á cid o s N u cle ico s 1.2 Hélice dupla 1.2.1 Estrutura A elucidação da estrutura secundária da molécula de DNA foi fundamental na sua definição como molécula ar- mazenadora da informação genética. A principal proprie- dade para esta função é a capacidade de “autorreplicação” (Capítulo 6). Além de muitos estudos sobre a química do DNA, a utilização de métodos de difração por raios X foi necessária para a descoberta da estrutura do DNA. A difração permite que seja atribuída a localização espacial (tridimensional, nos eixos x, y e z) dos átomos em uma molécula cristalizada e, assim, definir a conformação es- pacial da molécula. Em 1953, James Watson e Francis Crick propuseram um modelo de estrutura tridimensio- nal do DNA com base nos estudos de difração por raios X, conduzidos por Rosalind Franklin e Maurice Wilkins,e em outros estudos químicos da molécula. O modelo proposto por Watson e Crick mostrou que o DNA é uma hélice dupla e que as suas duas fitas se enrolam em torno do eixo da hélice. As desoxirribo- ses, ligadas umas às outras pelos grupamentos fosfato, ficam externas em relação às bases nitrogenadas, como se fossem o corrimão de uma escada circular, expostas ao meio aquoso. As ligações fosfodiéster nas duas fitas es- tão em direções opostas – uma fita na direção 5'→ 3' e a outra na direção 3'→ 5' –, sendo, portanto, ditas anti- -paralelas. O pareamento das bases é fundamental para Fosfatos Base Nitrogenada Açúcar NUCLEOSÍDEO NUCLEOTÍDEO O C C C N CH N C C CN CH N OH C CH2OPOPOPO O O O O O O H H H H NH2 H A O C 1 C 2 C4 OH C3 H H H H H C 5 OH H2 2'-Desoxirribose �-D-2-Desoxirribofuranose O C 1 C 2 C4 OH C3 H H H H C 5 HO H2 OH Ribose �-D-Ribofuranose Fosfatos B 1' 2' 5' 4' 3' dATP Desoxi-adenosina trifosfato ATP Adenosina trifosfato 1' 2' 5' 4' 3' Base nitrogenada Açúcar ribose C �� � � � � � � � Figura 2.1 Estrutura dos nucleotí- deos. (A) Estrutura geral. (B) Os açúcares componen- tes; em detalhe, o grupa- mento OH na posição C2 da ribose e o H na desoxirribose. (C) Representação das estru- turas cristalográficas do ATP e do dATP. Observe a grande diferença no posicionamento espacial dos átomos pela sim- ples presença, ou ausência do oxigênio no carbono 2' da pentose. Zaha_5ed_02.indd 19Zaha_5ed_02.indd 19 27/11/13 09:2027/11/13 09:20 B io lo g ia M o le cu la r B á si ca 2 0 Tabela 2.1 Nomenclatura dos ácidos nucleicos Bases Nucleosídeo Nucleotídeo Ácido nucleico Purinas Adenina Adenosina Desoxiadenosina Adenilato Desoxiadenilato RNA DNA Guanina Guanosina Desoxiguanosina Guanilato Desoxiguanilato RNA DNA Pirimidinas Citosina Citidina Desoxicitidina Citidilato Desoxicitidilato RNA DNA Timina Timidina Timidilato DNA Uracila Uridina Uridilato RNA N C C C N NC C N H H H H 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Purina N C C C N NC C N NH2 H H H N C CH C N NC C HN O H2N H Adenina (A) Guanina (G) A N HC N CH C H Pirimidina 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 N C N O C C O CH3 H H H N C C N O C C NH2 H H H N C C N O C C O H H H H Timina (T) Citosina (C) Uracila (U) B C H Figura 2.2 Estrutura das bases nitrogenadas púricas (A) e pirimídicas (B). Estão representadas a forma planar e a representação em varetas. Zaha_5ed_02.indd 20Zaha_5ed_02.indd 20 27/11/13 09:2027/11/13 09:20 2 1 E stru tu ra d o s Á cid o s N u cle ico s a manutenção da hélice dupla. Os anéis aromáticos das bases nitrogenadas são hidrofóbicos e ficam orientados para o interior da hélice dupla, quase perpendiculares ao seu eixo, como se fossem os degraus de uma escada. Cada base nitrogenada de uma das cadeias está pare- ada com a base complementar na outra cadeia de DNA (Figura 2.4). Este pareamento ocorre pela formação de pontes de hidrogênio entre as duas fitas, mantendo a estrutura da molécula. Um átomo de hidrogênio, em geral, forma uma li- gação covalente com apenas outro átomo. Entretanto, se esta ligação ocorre com um átomo que é um doador eletronegativo, o hidrogênio pode formar associações fracas adicionais, como as pontes de hidrogênio, com outro átomo aceptor. A presença de grupamentos ceto (C�O) e amínico (C-NH2) (Figura 2.5) permite a for- mação de pontes de hidrogênio entre as bases. Dessa forma, T e U, que contêm um grupamento ceto, podem parear com A, que contém um grupamento amínico, por meio de uma ponte de hidrogênio. C e G, que con- têm um grupamento ceto e um grupamento amínico, podem formar duas pontes de hidrogênio. Além disso, uma ponte de hidrogênio adicional pode ser formada entre os nitrogênios dos anéis aromáticos em todos os pares. Assim, entre T ou U e A são formadas duas pontes de hidrogênio, e entre C e G são formadas três pontes de hidrogênio (Figura 2.5). Isto confere à mo- lécula de DNA a complementaridade, ou seja, sempre que existir uma A em uma fita haverá uma T pareada, e quando houver uma C na outra fita haverá uma G. Esta é uma propriedade fundamental do DNA e a base para a replicação (Capítulo 6), para a transcrição (Capítulo 10) e para outros processos celulares. As bases nitrogenadas possuem dois tamanhos, sendo as pirimídicas menores do que as púricas (ver Figura 2.2). O pareamento sempre ocorre entre uma base púrica e uma pirimídica e, portanto, os pares AT e CG têm aproximadamente o mesmo tamanho e di- Ligação fosfodiéster Ligação glicosídica Extremidade 5'-fosfato Extremidade 3'-hidroxila O PO O- O O PO O - O O PO O - O O PO O - O O C C C C H H H H H CH2 O C C C C H H H H H CH2 O C C C C H H H H H CH2 2' 1' 3' 4' 5' O C C C C H H H H H CH OH 2 2' 1' 3' 4' 5' Adenina Citosina Guanina Timina A B Ligação glicosídica Ligação fosfodiéster Extremidade 5'-fosfato Extremidade 3'-hidroxila 2' 1'3' 4' 5' 3' 4' 5' 2' 1' Figura 2.3 Ligações químicas na cadeia de DNA. (A) Re- presentação planar do DNA (fita simples), (B) repre- sentação tridimensional das ligações no DNA (fita sim- ples). Observe as extremida- des 5'-fosfato e 3'-OH, que conferem direcionalidade à cadeia; as ligações fosfodi- éster entre os nucleotídeos e as ligações glicosídicas entre os açúcares e as bases nitro- genadas. A representação em (B) é a forma tridimen- sional obtida com a cris- talografia por raios X, que é a forma espacial real da molécula. As bases nitroge- nadas ficam perpendiculares e voltadas para o interior da cadeia fosfodiéster. Zaha_5ed_02.indd 21Zaha_5ed_02.indd 21 27/11/13 09:2027/11/13 09:20 B io lo g ia M o le cu la r B á si ca 2 2 mensões semelhantes (Figura 2.5). Desse modo, os dois pares ocupam o mesmo espaço tridimensional, conferindo uma uniformidade ao longo da molécula de DNA. Por isso, não existe nenhuma restrição quanto à sequência de nucleotídeos na molécula de DNA. Essas características de pareamento explicam o fato de que, em qualquer sequência de DNA fita dupla, a relação molar entre A/T é igual a 1,0, ocorrendo o mesmo com a relação C/G, embora as concentrações molares entre AT e CG variem com a sequência de DNA analisada. As pontes de hidrogênio (Figura 2.5) CG são mais fortes (necessitam de mais energia para serem rompidas) que as ligações AT. Além dos pareamentos AT e CG, outros parea- mentos raros podem ser encontrados. O pareamento de Hoogsteen, que ocorre em fitas triplas de RNA e DNA e os pareamentos GA, CA e TG são exemplos desses raros eventos. As ligações glicosídicas no DNA, entre as desoxir- riboses e as bases nitrogenadas, não estão diretamente opostas na hélice dupla, gerando duas cavidades desi- guais em seu contorno (ver Figura 2.4). As duas cavi- dades são denominadas cavidade maior e cavidade menor. Nessas cavidades, principalmente na maior, as bases, estão expostas ao meio solvente e são quimica- mente distinguíveis. Assim, moléculas (em geral pro- teínas), que interagem com sequências específicas de bases, podem identificar
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