Dogma e estrutura DNA e RNA

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Estrutura e função
dos
ácidos nucléicos
Biologia Molecular - 4°período
As descobertas
• 1868 Johanm Friedich Miescher isola substancia ácida das células 
do pus que foi chamada de NUCLEÍNA
– Nucleína apresentava grandes quantidades de nitrogênio e 
fósforo
• Década de 1940 é documentada a existência de cadeias 
polinucleotídicas, o principal componente do material ácido na 
nucleída de Miescher
• 1944 é estabelecido que os ácidos nucléicos estão relacionados 
com a estocagem e transmissão da informação genética
• Havia relutância em aceitar o DNA como responsável pela 
transmissão genética por ser muito simples ���� Proteínas 
apresentavam maior variabilidade
• O DNA teria que reunir as seguintes características:
– Capacidade de auto-replicação
– Capacidade de codificar informações em grande número
• Os blocos construtivos do DNA eram conhecidos, mas a sua 
estrutura não. Estes blocos são nucleotídeos formados de: 
Desoxirribose, Base nitrogenada, Fosfato
• 1953 é descrita a estrutura dos ácidos nucléicos.
Watson e Crick
Propuseram a estrutura da dupla hélice do DNA
Construção de modelo
Reunião de resultados de experimentos anteriores
1- Componentes químicos do DNA (nucleotídeos)
2- Regra de Chargaff da composição de bases
3- Análise da difração de raios X do DNA
O que foi proposto
• Cada cadeia polinucleotídica consiste em uma 
sequência de nucleotídeos ligados por ligação 
fosfodiéster
• Os dois filamentos são unidos por pontes de hidrogênio
• Os pares de bases estão intercalados entre as duas 
cadeias perpendiculares como degraus de uma escada 
helicoidal
• O pareamento de bases é específico (A-T; C-G) que é
resultante da formação das pontes de hidrogênio
Propriedades do Material genético
1- Replicação fiel a cada divisão celular, ou seja, as características
estruturais do DNA devem permitir tal característica;
2- Possuir um conteúdo informacional – codificação das proteínas
expressas em um organismo;
3- Ser capaz de mudar, ou seja, ser passivo de mutações (em
raras ocasiões) – seleção evolutiva
ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLÉICO - DNA
� Contém toda a informação genética de um 
organismo
� Esta informação está organizada em unidades
hoje conhecidas como GENES
� Gene: Segmento de uma molécula de DNA que
contém a informação necessária para a síntese de 
um produto biológico funcional, seja um RNA ou
uma protéina
Natureza química do ácido nucléico
Nucleotídeo
São as subunidades dos ácidos nucléicos – DNA e RNA
Fosfato
Pentose
Base
Nitrogenada
Lig. glicosídica
Monossacarídeo que possui 5 átomos de carbono
Conformações da Ribose
Os ácidos nucléicos apresentam apenas a forma fechada da ribose
Ribose X Desoxirribose
A desoxirribose, também denominada D-Desoxirribose ou 2-desoxirribose, 
é derivada da ribose por substituição do grupo hidroxila na posição 2 por
hidrogénio, resultando na perda de uma átomo de oxigénio
RNA DNA
Bases Nitrogenadas
O caráter ácido dos nucleotídeos é devido à presença de resíduos de fosfato, 
derivados do ácido fosfórico – H3PO4, que se dissociam em pH intracelular, 
liberando íons hidrogênio (H+) e deixando o fosfato carregado negativamente
Grupamento fosfato
Nucleotídeo – estrutura geral
Nucleotídeos
• Nucleotídeo: Base nitrogenada + Pentose + Fosfato
• Nucleosídeo: Base nitrogenada + Pentose
DNA
RNA
Purinas
Pirimidinas
� Os nucleotídeos, tais quais outros componentes celulares
contendo bases purínicas ou pirimidínicas, podem ser facilmente
detectados por absorverem LUZ ULTRAVIOLETA (UV).
� O comprimento de onda correspondente à absorção máxima
para a maioria desses compostos é aproximadamente 260nm
� A medida de ABSORVÂNCIA está relacionada à intensidade de 
radiação absorvida por uma solução, esta é proporcional à sua
concentração e à distância percorrida pelo feixe luminoso através
da amostra;
Absorção de luz UV pelos nucleotídeos
Outras funções dos nucleotídeos
Além de formarem os ácidos nucléicos, os
nucleotídeos possuem outras funções nas células
• Carreadores de energia química – ATP
(Além do ATP, outros nucleotídeos, CTP, TTP e GTP, podem
desempenhar esta função. Os mono- e dinucleotídeos AMP e ADP
também são importantes intermediários energéticos no metabolismo)
• Componentes de cofatores enzimáticos
(Alguns nucleotídeos são componentes de nicotinamida adenina
dinucleotídeos, NAD+(oxidada) e NADH (reduzida), e de flavina
mono- e dinucleotídeos, FMN (oxidada)e FAD (reduzida). Estes 
compostos existem nas formas oxidada e reduzida, o que os torna
cofatores importantes para as reações de oxirredução catalisadas
enzimaticamente
• Mensageiros químicos
(cAMP intracelular responde a sinais extracelulares, transferindo-os
para o processo metabólico no interior da célula)
Transportador de energia
A hidrólise do fosfato
gera energia química
que pode ser usada
em diferentes reações
químicas
Formação da dupla hélice do DNA
Formação da dupla hélice do DNA
Formação da cadeia de nucleotídeos
A ligação dos nucleotídeos é feita
através de 
ligações fosfodiéster
São ligações covalentes onde o 
grupo fosfato de um nucleotídeo é
ligado ao grupo hidroxila do 
próximo nucleotídeo
Formação da ligação fosfodiester
envolve o ataque nucleofílico do 3’ OH 
da cadeia crescente no fosfato do 
carbono 5´ do nucleotídeo trifosfatado
que será incorporado
A ligação do tipo fosfodiéster é resultante
de uma REAÇÃO DE CONDENSAÇÃO 
entre nucleotídeos-trifosfatos, ricos em
energia, com liberação de pirofosfato
inorgânico (P2O63-) e água
Reação de condensação entre dois nucleotídeos e formação de ligação fosfodiéster entre 
a hidroxila do C3' de um nucleotídeo e o fosfato do C5' do nucleotídeo adjacente
� A cadeia de DNA e RNA possuem propriedades hidrofílicas: 
-O grupo hidroxila do resíduo de açúcar forma ligações de hidrogênio
com a água. 
- O grupo fosfato, está ionizado e carregado negativamente em pH 7,0. A 
carga negativa é geralmente neutralizada por cargas positivas de 
proteínas e íons metais.
� Todas as ligações fosfodiéster possuem a mesma orientação ao longo
da cadeia, ou seja, cada fita de ácido nucléico possui uma polaridade
específica denominadas terminações 5’ e 3’.
� A direção do crescimento da fita de uma cadeia nucleotídica é sempre
5’ 3’
� Oligonucleotídeo: cadeia curta de ácido nucléico ( 50 ou menos
nucleotídeos)
� Polinucleotídeo: cadeia longa de ácido nucléico
Características da cadeia nucleotídica
O pareamento de bases e a formação da dupla fita de DNA
2 ligações de hidrogênio
3 ligações de hidrogênio
Ponte de hidrogênio
As fitas do DNA são antiparalelas
�Watson e Crick deveriam estabelecer se as fitas do DNA seriam paralelas
ou antipararelas. Ou seja, se as ligações fosfodiéster que ocorrem no sentido
5’para 3’ ocorreriam na mesma direção ou direções opostas;
� Uma orientação antiparalela produziu um modelo mais convincente;
� Posteriormente, evidências experimentais utilizando DNA polimerases
confirmaram o antiparalelismo das fitas de DNA;
* Ligação de hidrogênio – ligação fraca – representa aprox. 3% da força de uma lig. covalente
10,5 pb
A disposição planar dos átomos dos anéis das bases nitrogenadas é importante, pois
permite o “empilhamento das bases”. Isto contribui para minimizar o contato
das bases com água e as forças de empilhamento estabilizam a dupla hélice quase
tanto quanto as pontes de hidrogênio
DNA pode apresentar diferentes 
conformações
Diferenças:
-N°de pb por volta da
hélice
- Posicionamento dos pb
em relação ao eixo da
hélice
-Direção do enrolamento
da hélice
(esquerda ou direita)
1- diferentes conformações da desoxirribose2- rotações nas ligações da desoxirribose com o fosfato
3- rotação na ligação entre a base nitrogenada e a desoxirribose
As variações estruturais no DNA são resultados de :
DNA pode apresentar diferentes 
conformações
Conformação B � presente em 
condições fisiológicas. É a mais 
comum
Conformação A � Presente em 
condições de altas concentrações de 
sais ou em estado parcialmente 
desidratado
Conformação Z � Forma levógira. 
Ocorre em duplas hélices ricas em par 
G:C. Trechos curtos em procariotos e 
eucariotos.
Propriedades químicas do DNA
A dupla fita de DNA pode ser
desnaturada e posteriormente
renaturada
Replicação e Transcrição do DNA
Propriedades químicas do DNA
Propriedades químicas do DNA
Desnaturação
- Variação extrema de pH
- Aumento da temperatura
- Baixa concentração iônica
- soluções alcalinas
- Soluções concentradas de formamida e uréia
Renaturação (anelamento)
-Condições fisiológicas
A temperatura em que se atinge o ponto médio da desnaturação total de um DNA 
é chamada “temperatura de fusão”ou “temperatura de transição”, sendo
representada por Tm (melting temperature). A estabilidade do DNA dupla hélice e, 
portanto,os valores de Tm dependem de diversos fatores, tais como natureza do
solvente, tipo e concentrações de íons na solução e pH.
DNA parcialmente desnaturado
Ácidos nucléicos de diferentes espécies podem formar híbridos
* RNA e DNA também podem formar híbridos
DNA genômico de todos os procariotos e de alguns vírus são moléculas
circulares. Também são encontrados nas mitocôndrias e cloroplastos.
DNA Circular
Desnaturação de um DNA circular
� Molécula helicoidal
� Complementar
� Antiparalela
� Duas periodicidades: 
36A – Sulco maior
3.4A – Sulco menor
� Possui diferentes conformações (forma B, A e Z)
� Separação reversível da dupla fita (desnaturação/
renaturação)
� Linear ou circular
Características da Estrutura do DNA
Transformações não enzimáticas nos nucleotídeos
• Purinas e pirimidinas podem sofrer alterações espontâneas na
sua estrutura;
• As taxas de ocorrências destas alterações são geralmente
muito baixas, mas são fisiologicamente significativas;
• Alterações na estrutura do DNA que produzem mudanças
permanentes na informação genética, são chamadas
MUTAÇÕES;
Principais transformações:
- Desaminação
- Depurinação
Desaminação
Perda espontânea do grupamento amino
Depurinação
Reações promovidas
por radiações UV
Dímeros de timina
RNA – Aspectos estruturais e funcionais
Estrutura do RNA
Molécula de fita 
simples que pode 
apresentar diferentes 
conformações
Ribose X Desoxirribose
A desoxirribose, também denominada D-Desixirribose ou 2-desoxirribose, 
é derivada da ribose por substituição do grupo hidroxila na posição 2 
porhidrogénio, resultando na perda de uma átomo de oxigénio
RNA DNA
Características da estrutura do RNA
� Açúcar é a ribose (possui um grupamento hidroxila no 
C2)
� É formado por : adenina, citosina, guanina e URACILA
� Devido ao grupamento hidrolixa no C2, a estrutura do 
RNA se torna mais lábil do que a do DNA. Em uma
solução alcalina, o RNA é clivado em mononucleotídeos
enquanto que o DNA não
� É uma molécula de fita simples que pode apresentar
diversas estruturas secundárias
Instabilidade do 
RNA
Diferentes conformações da molécula de RNA
� Diferenças no tamanho e nas conformações dos vários tipos de RNA 
permitem que eles possuam funções específicas nas células;
� As estruturas secundárias nas fitas simples de RNA são formadas
pelo pareamento de bases;
� “Hairpins” ou grampos são formados pelo pareamento de bases 
envolvendo ≈5 – 10 nucleotídeos;
� “stem-loops” ou voltas são formados pelo pareamento de bases que
são separadas por ≈50 a centenas de nucleotídeos;
� Estes arranjos podem formar estruturas terciárias mais complexas
denominadas “pseudoknot” ou falso-nó;
Figure 4-12RNA secondary and tertiary structures
(a) Stem-loops, hairpins, and other secondary structures can form by base pairing between 
distant complementary segments of an RNA molecule. In stem-loops, the single-stranded loop (dark red) 
between the base-paired helical stem (light red) may be hundreds or even thousands of nucleotides long, 
whereas in hairpins, the short turn may contain as few as 6 – 8 nucleotides. (b) Interactions between the 
flexible loops may result in further folding to form tertiary structures such as the pseudoknot. 
This tertiarystructure resembles a figure-eight knot, but the free ends do not pass through the loops, so no 
knot is actually formed
Diferentes conformações da molécula de RNA
Figure 6-6RNA can fold into specific structures
RNA is largely single-stranded, but it often contains short stretches of nucleotides that can form conventional base-pairs 
with complementary sequences found elsewhere on the same molecule. These interactions, along with additional “nonconventional”
base-pair interactions, allow an RNA molecule to fold into a three-dimensional structure that is determined by its sequence of 
nucleotides. (A) Diagram of a folded RNAstructure showing only conventional base-pair interactions; (B) structure with both 
conventional (red) and nonconventional (green) base-pair interactions; (C) structure of an actual RNA, a portion of a group 
1 intron(see Figure 6-36). Each conventional base-pair interaction is indicated by a “rung” in the double helix. Bases in other 
configurations are indicated by broken rungs.
Diferentes conformações da molécula de RNA
Uracila pareia com Adenina
Vantagem evolutiva do uso da 
Timina no DNA
Tipos de RNAs
RNA também pode estocar 
informação genética
Vírus de RNA
Experiência de Fraenkel-Conrat e Singer (1957)
Dogma da Biologia Molecular
DNA RNA Proteína
Entendimento de como a informação hereditária é expressa
Como essa maquinaria surgiu????
O mundo do RNA
Hipótese de que um mundo de RNA tenha existido antes do aparecimento
das células atuais
RNA – molécula autocatalítica
• Capaz de catalisar uma variedade de reações químicas incluindo a sua
própria síntese;
• Sistemas de auto-replicação de RNA não foram encontrados na natureza, 
porém tal cenário pode ser evidenciado em laboratório;
• Os primeiros biopolímeros foram provavelmente “polímeros semelhantes
ao RNA – pré-RNA
• A base da hipótese do mundo do RNA é que as moléculas de RNA atuam
tanto como carreadores de informação quanto de catalisadores ;
Moléculas pré-RNA
Ribozimas
Moléculas de RNA com propriedades
catalíticas
Família de moléculas de RNA
de suporte mútuo, uma
catalisando a reprodução
das demais
Hipótese de que o RNA precedeu o DNA e as 
proteínas na evolução
- Nas células primordiais
Moléculas de pré-RNA teriam funções
genéticas, estruturais e catalíticas. O RNA 
teria gradualmente adquirido estas funções.
-Nas células atuais
O DNA é o repositório da informação
genética, e as proteínas realizam a grande
maioria das funções catalíticas nas células. 
Hoje, o RNA participa como um intermediário
na síntese protéica, embora continue atuando
como catalisador em várias reações
importantes. 
O Dogma Central da Biologia Molecular
O dogma central define o paradigma da biologia molecular, em que a 
informação é perpetuada através da replicação do DNA e é traduzida
através de dois processos: A transcrição que converte a informação do 
DNA em uma forma mais acessível (uma fita de RNA complementar) e 
através da tradução que converte a informação contida no RNA em
proteínas
A exceção é a replicação retroviral, na qual o RNA viral é molde para
síntese do DNA do provírus
Dogma central
- A perpetuação do ácido nucléico pode envolver tanto DNA ouRNA como material genético
- A expressão da informação genética celular é geralmente
unidirecional