NUCLEOTÍDEOS E ÁCIDOS NUCLEICOS INCOMPLETO

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NUCLEOTÍDEOS E ÁCIDOS NUCLEICOS
Nucleotídeos são a moeda energética nas transações metabólicas; são as ligações químicas essenciais nas respostas da célula a hormônios e a outros estímulos extracelulares; e também são os componentes estruturais de uma estrutura ordenada de cofatores enzimáticos e intermediários metabólicos. E, por último, mas não menos importante, eles são os constituintes dos ácidos nucleicos: ácido desoxirribonucleico (DNA) e ácido ribonucleico (RNA), os repositórios moleculares da informação genética.
Um segmento de uma molécula de DNA que contém a informação necessária para a síntese de um produto biologicamente funcional, seja proteína ou RNA, é denominado gene.
O RNA tem uma ampla variedade de funções e muitas classes são encontradas nas células. Os RNA ribossomais (rRNAs) são componentes dos ribossomos, os complexos que executam a síntese proteica. Os RNAs mensageiros (mRNAs) são intermediários, carregando a informação genética de um ou poucos genes para o ribossomo, onde as proteínas correspondentes podem ser sintetizadas. Os RNAs transportadores (tRNAs) são moléculas adaptadoras que traduzem fielmente a informação no mRNA em uma sequência específica de aminoácidos. 
A base de um nucleotídeo é ligada por uma ligação glicosídica ao carbono 1da pentose, e o fosfato é esterificado no carbono 5. A ligação glicosídica é formada pela remoção dos componentes da água (um grupo hidroxila da pentose e o hidrogênio da base).
Embora o DNA e do RNA pareçam ter duas diferenças – pentoses diferentes e a presença de uracila no RNA e timina no DNA – é a pentose que define a identidade do ácido nucleico.
Os nucleotídeos consecutivos de ambos DNA e RNA são ligados covalentemente por “pontes” de grupos fosfato, nas quais o grupo 59-fosfato de uma unidade nucleotídica é ligado ao grupo 39-hidroxila do próximo nucleotídeo, criando uma ligação fosfodiéster.
O esqueleto do DNA e do RNA são hidrofílicos.
A orientação 5’ para 3’ de uma fita de ácido nucleico refere-se a uma extremidade da fita, não a orientação da ligação fosfodiéster individual ligando seus nucleotídeos constituintes.
Um ácido nucleico pequeno é denominado oligonucleotídeo. A definição de “pequeno” é um tanto arbitrária, mas polímeros contendo 50 nucleotídeos ou menos em geral são chamados de oligonucleotídeos. Um ácido nucleico maior é chamado de polinucleotídeo.
Purinas e pirimidinas livres são compostos fracamente básicos e, por isso, são chamados de bases. São hidrofóbicas e relativamente insolúveis em agua perto de pH neutro. Em pH ácido ou alcalino, as bases se tornam solúveis em água. 
Interações de empilhamento hidrofóbicas em que duas ou mais bases são posicionadas com os planos de seus anéis em paralelo (como pilha de moedas) são uma das duas formas mais importantes de interação entre bases nos ácidos nucleicos. O empilhamento também envolve a combinação de interações dipolo-dipolo, bem como esse empilhamento ajuda a minimizar o caráter hidrofóbicos das bases, diminuindo o contato delas com a água. Interações de empilhamento de bases são muito importantes na estabilização da estrutura tridimensional dos ácidos nucleico.
HIBRIDIZAÇÃO DO DNA. Duas amostras de DNA, para serem comparadas, são completamente desnaturadas pelo calor. Quando as duas soluções são misturadas e resfriadas lentamente, as cadeias de DNA de cada amostra irão se associar com seus parceiros complementares normais e se anelar para formar duplex. Se dois DNA têm semelhança de sequência significativa, eles também tendem a formar duplex parciais ou híbridos um com o outro: quanto maior a semelhança de sequência entre dois DNAs, maior o número de híbridos formados. A formação de híbridos pode ser medida de várias maneiras. Um dos DNAs geralmente é marcado com um isótopo radioativo para simplificar sua detecção e as medidas.
Nucleotídeos são unidades monoméricas dos ácidos nucleicos, DNA (ácido desoxirribonucleico) e RNA (ácido ribonucleico). Cada nucleotídeo consiste em uma base nitrogenada heterocíclica, um açúcar e fosfato. O DNA contém as bases púricas adenina (A) e guanina (G) e as bases pirimídicas citosina (C) e timina (T). O RNA contém A, G e C, mas tem uracil (U) no lugar da timina. No DNA, o açúcar é a desoxirribose, enquanto no RNA é a ribose.
ESTRUTURA DO DNA. A informação genética é codificada pela seqüência de diferentes bases de nucleotídeos no DNA. O DNA é formado por dupla fita; ele contém duas fitas de polinucleotídeos antiparalelas. As duas fitas são unidas por pontes de hidrogênio entre suas bases para formar pares de bases. Adenina pareia com timina, e guanina pareia com citosina. As duas fitas de DNA são orientadas em direções opostas. Uma fita orienta-se no sentido 5’ para 3’, enquanto a outra orienta-se de 3’ para 5’. As duas fitas enrolam-se uma ao redor da outra, formando uma dupla hélice.
ESTRUTURAS DO RNA. Os mRNA contêm a seqüência de nucleotídeos que é convertida na seqüência de aminoácidos de uma proteína no processo de tradução. O mRNA eucariótico tem uma estrutura conhecida como capa (cap) na terminação 5’, uma seqüência de nucleotídeos da adenina (uma cauda poli[A]) na terminação 3’ e uma região codificadora central contendo códons que determinam a seqüência de aminoácidos em uma proteína ou que emitem um sinal. Cada códon no código genético é uma seqüência diferente de três nucleotídeos.
Os rRNA e tRNA são parte do aparato para a síntese proteica, mas não codificam proteínas. O rRNA tem um intenso pareamento interno de bases e associa-se a proteínas para formar partículas ribonucleoproteínas chamadas de ribossomos. Os ribossomos ligam mRNA e tRNA durante a tradução. Cada tRNA liga-se a um aminoácido específico e o ativa para inserção na cadeia polipeptídica, tendo, portanto, alguma diferença na seqüência de nucleotídeos em relação aos outros tRNA. Uma única seqüência de trinucleotídeos em cada tRNA, chamada de anticódon, liga-se a um códon complementar no mRNA, garantindo, assim, a inserção do aminoácido correto. Apesar das suas diferenças, todos os tRNA contêm nucleotídeos incomuns e assumem uma estrutura similar a um trevo.
O DNA eucariótico é ligado às proteínas, formando um complexo chamado de cromatina.
HISTÓRIA DO DNA Em 1865, Frederick Meischer isolou o primeiro DNA, obtido de secreção purulenta raspada de compressas cirúrgicas. Inicialmente, cientistas especularam que o DNA era uma forma de armazenamento celular para fosfatos inorgânicos, uma função importante, mas não excitante, que não despertava grande interesse em determinar sua estrutura. De fato, os detalhes da estrutura do DNA não foram completamente determinados até 1953, quase 90 anos após ter sido isolado pela primeira vez e somente 9 anos depois de ter sido identificado como material genético.
Cada molécula de DNA consiste em duas cadeias de polinucleotídeos unidas por pontes de hidrogênio entre as bases. Em cada par de bases, uma purina em uma fita forma pontes de hidrogênio com uma pirimidina na outra fita.
FITAS DE DNA SÃO ANTIPARALELAS Como concluído por Watson e Crick, as duas fitas complementares de DNA orientam-se em direções opostas. Em uma fita, o carbono 5’ do açúcar está acima do carbono 3’. Considera-se que essa fita está orientada na direção 5’ para 3’. Na outra fita, o carbono 3’ está acima do carbono 5’. Considera-se que essa fita está orientada na direção 3’ para 5’. Portanto, as fitas são antiparalelas (isto é, elas orientam-se em direções opostas). Esse conceito de direcionalidade das fitas dos ácidos nucleicos é essencial para o conhecimento do mecanismo de replicação e transcrição.
DUPLA HÉLICE. Os grupamentos fosfato do esqueleto de açúcar-fosfato estão no lado de fora da hélice. Cada fosfato tem dois átomos de oxigênio formando duas ligações fosfodiéster que unem açúcares adjacentes. No entanto, o terceiro grupamento –OH do fosfato está livre e dissocia um próton em pH fisiológico. Portanto, cada hélice de DNA tem cargas negativas envolvendo sua superfície, as quais facilitam a ligação de proteínas específicas.HIBRIDIZAÇÃO (RENATURAÇÃO) O aquecimento é suficiente para converter a dupla fita de DNA em fita simples. A separação das fitas é chamada de ponto de fusão, e a temperatura na qual 50% do DNA são separados é chamada de Tm (melting temperature). Se a temperatura for diminuída lentamente, fitas simples complementares podem realinhar-se e parear as bases, reconstituindo uma dupla hélice essencialmente idêntica ao DNA original. Esse processo é conhecido como renaturação, reanelamento ou hibridização. O processo pelo qual uma fita simples de DNA anela com fitas de RNA complementar também é chamado de hibridização. A hibridização é bastante utilizada em pesquisas e testes clínicos.
GENOMA HUMANO. O genoma, ou conteúdo genético total, de uma célula haplóide humana (um espermatozóide ou um óvulo) é distribuído em 23 cromossomos.
Um locus genético é uma posição ou localização específica em um cromossomo. Cada gene em um cromossomo em uma célula diplóide é pareado por uma versão alternativa do gene no mesmo locus genético no cromossomo homólogo. Essas versões alternativas de um gene são chamadas de alelos.
CARACTERÍSTICAS GERAIS DO RNA assim como o DNA, ele é composto de nucleotídeos unidos por ligações fosfodiéster no sentido 3’ para 5’, as bases púricas adenina e guanina e a base pirimídica citosina. Entretanto, sua outra base pirimídica é o uracil em vez da timina. O uracil e a timina são bases idênticas, exceto que a timina tem um grupamento metil na posição 5 do anel.
SINTESE DO DNA ocorre durante a fase S do ciclo celular e tem como componentes da nova molécula uma fita do DNA parietal e um fita recém sintetizada (semiconservativo)
O local no qual a replicação está ocorrendo em um dado momento é chamado de forquilha de replicação.
Um complexo de proteínas está envolvido na replicação. Helicases e topoisomerases desenrolam as fitas parentais, e proteínas de ligação de fita simples impedem que elas se unam novamente.
A principal enzima envolvida na replicação é a DNA-polimerase, que copia cada fi ta parental no sentido 3’ para 5’, produzindo novas fi tas no sentido 5’ para 3’. Os desoxirribonucleosídeos trifosfato servem como precursores. Uma das novas fi tas de DNA cresce continuamente, enquanto a outra fi ta é sintetizada descontinuamente em pequenos fragmentos conhecidos como fragmentos de Okazaki. Esses fragmentos são subseqüentemente unidos pela DNA-ligase. Iniciação. 
A DNA-polimerase não pode iniciar a síntese das novas fi tas. Então, um curto iniciador (primer) é produzido, o qual contém ribonucleotídeos (RNA). A DNA-polimerase pode adicionar desoxirribonucleotídeos à terminação 3’ do fragmento iniciador. Esse RNA iniciador é posteriormente removido e substituído por desoxirribonucleotídeos. Telômeros. As terminações lineares dos cromossomos são chamadas de telômeros. A enzima telomerase, uma DNA-polimerase dependente de RNA que transporta seu próprio molde de RNA, é necessária para a sua replicação. Erros e reparos. Erros que ocorreram durante a replicação podem levar a mutações deletéreas. Entretanto, muitos erros são corrigidos pela atividade enzimática associada ao complexo da forquilha de replicação. A taxa de erro é, portanto, mantida a níveis muito baixos. Danos às moléculas de DNA também causam mutações. Mecanismos de reparo corrigem danos no DNA, em geral por remoção e substituição da região danifi cada. A fi ta intacta, não-danifi cada, serve como molde para a DNA-polimerase envolvida no processo de reparo. Recombinação. Embora as células tenham mecanismos para corrigir erros de replicação e para reparar danos do DNA, alguma mudança genética é desejável. Elas produzem novas proteínas ou variantes de proteínas que podem aumentar a taxa de sobrevivência das espécies. Mudança genética é produzida por mutações não-reparadas e por um mecanismo conhecido como recombinação, no qual porções de cromossomos são trocadas.
RELEMBRAR O CICLO CELULAR 
No final da G1 as células se preparam para duplicar seus cromossomos.
Na fase S, há a duplicação do DNA e é aumentada a síntese de histonas e proteínas relacionadas à síntese.
Na fase G2 as células se preparam pra dividir e sintetizam tubulinas (criação dos fusos/ micro túbulos) 
PONTOS DE ORIGEM PARA REPLICAÇÃO Os cromossomos eucarióticos têm vários pontos de origem, nos quais a replicação inicia. Nesse pontos aparecem bolhas que ao final de cada bolha forma-se uma forquilha de replicação (cada bolha tem 2 forquilhas), a síntese ocorre em cada uma dessa forquilhas. Diante disso, a medida que a síntese ocorre as bolhas vão aumentando de tamanho e acabam se encontrado umas com as outras e finalmente se junta, assim a replicação é completada. Devido a existência de tantos pontos de replicação, tantas “bolhas”, a replicação de um grande cromossomo consegue ser feita em pouco tempo.
DNA- POLIMERASES 
 A polimerase δ (pol δ) é a principal enzima replicativa.
COMPLEXO DE REPLICAÇÃO 
Para que a polimerase δ atue é necessário que a primase associada a polimerase alfa produza um iniciador de RNA. Quando ela produz a polimerase alfa adiciona cerca de 20 desoxirribonucleotídeos a esse RNA e dissocia-se da fita molde. Depois que ela se dissocia a polimerase δ adiciona mais desoxirribonucleotideos ao iniciador, produzindo um fragmento de Okazaki. 
REPLICAÇÃO DAS TERMINAÇÕES DOS CROMOSSOMOS Os cromossomos eucarióticos são lineares, e suas porções terminais são chamadas de telômeros. Como a replicação do DNA chega ao final do cromossomo, um problema ocorre na fita atrasada (Figura 13.10). A primase não pode pôr de volta um fragmento iniciador na extremidade do cromossomo, ou, após a replicação do DNA estar completa, o RNA do final do cromossomo é degradado. Conseqüentemente, a fita recentemente sintetizada é mais curta na terminação 5’, e existe uma projeção 3’ na fita de DNA que está sendo replicada. Se o cromossomo torna-se mais curto em cada replicação sucessiva, genes poderiam ser perdidos. Como esse problema é resolvido? A projeção 3’ é alongada pela adição de telômeros até que a primase possa ligar e sintetizar a fita complementar. Os telômeros consistem em uma seqüência repetida de bases (TTAGGG para humanos), a qual pode ser repetida milhares de vezes. A enzima telomerase contém proteína e RNA e atua como uma DNA-polimerase RNAdependente (semelhante à transcriptase reversa). O RNA da telomerase contém a cópia complementar da seqüência repetida nos telômeros e pode parear bases com a projeção 3’ existente.
A atividade polimerase da telomerase, então, usa o grupamento hidroxila 3’ existente da projeção como um fragmento iniciador, e seu próprio RNA como um molde, e sintetiza novo DNA que alonga a terminação 3’ da fita de DNA. A telomerase move o DNA para baixo em direção à nova terminação 3’ e repete o processo diversas vezes. Quando a projeção 3’ está sufi cientemente longa, a primase se liga, e a síntese da fita complementar é completada. A projeção 3’ também pode formar uma estrutura complicada com os telômeros se ligando a proteínas para proteger as extremidades dos cromossomos de danos e do ataque de nucleases, uma vez que elas foram alongadas.
AÇÕES DE AGENTE MUTAGÊNICOS Os danos no DNA podem ser causados por radiação e por químicos (Figura 13.12). Esses agentes podem afetar diretamente o DNA ou atuar indiretamente. Por exemplo, raios X, um tipo de radiação ionizante, atua indiretamente para danificar o DNA por excitação da água nas células e geração de radicais hidroxila, os quais reagem com o DNA, alterando, assim, a estrutura das bases ou quebrando as fitas de DNA. Enquanto a exposição a raios X é infreqüente, é mais difícil evitar a exposição à fumaça de cigarro e praticamente impossível evitar a exposição à luz do sol. A fumaça de cigarro contém carcinógenos como o hidrocarboneto policíclico aromático benzopireno. Quando esse composto é oxidado pelas enzimas celulares, as quais normalmente atuam para tornar os compostos inapropriados mais solúveis em água e fáceis pra excretar, ele se torna capaz de formar ligações fortescom resíduos de guanina no DNA. Raios ultravioleta do sol, os quais também produzem distorções na hélice de DNA, excitam bases pirimídicas adjacentes nas fitas de DNA, causando, então, a formação de dímeros covalentes.
MECANISMOS DE REPARO 
REPARO POR EXCISÃO DE NUCLEOTÍDEOS: As endonucleases clivam a cadeia anormal e removem a região distorcida. O espaço é, então, preenchido pela DNA-polimerase que adiciona desoxirribonucleotídeos, um de cada vez, à terminação 3’ do DNA clivado, usando a fita de DNA complementar intacta como molde. O segmento recentemente sintetizado é unido à terminação 5’ da fita de DNA original remanescente pela DNA-ligase.
REPARO POR EXCISÃO DE BASES: A DNA-glicosilase reconhece pequenas distorções no DNA envolvendo lesões causadas por dano a uma única base (p. ex., a conversão de citosina para uracil). Uma glicosilase cliva a ligação N-glicosídica que une a base errada à desoxirribose. O açúcar-fosfato da cadeia principal do DNA agora perde a base nesse sítio (conhecido como um sítio apúrico ou apirimídico, ou um sítio AP). Então uma nuclease AP cliva o açúcar-fosfato da fi ta nesse sítio. Subseqüentemente, os mesmos tipos de enzimas envolvidos em outros tipos de mecanismos de reparo fazem com que essa região retorne ao normal.
REPARO DE ERROS DE PAREAMENTO: Durante a replicação, as fitas recentemente sintetizadas não são imediatamente metiladas. Antes de a metilação ocorrer, as proteínas envolvidas no reparo de erros de pareamento podem distinguir a fita parental das fitas recentemente sintetizadas. A região da nova fita, não-metilada, contendo a base pareada erroneamente, é removida e substituída. Enzimas humanas também podem distinguir as fitas parentais das fitas recentemente sintetizadas e reparar erros.
REPARO ASSOCIADO A TRANSCRIÇÃO: Os genes que são transcritos de forma ativa para produzir mRNA são preferencialmente reparados, uma vez a RNA- Polimerase tá aginde, quando ela encontra um gene defeituoso ela para a transcrição e assim algumas proteínas de reparo são atraídas para o local.
REARRANJOS GENÉTICOS
Um tipo de rearranjo genético que foi observado há muitos anos é o crossing-over entre cromossomos homólogos durante a meiose.
A TRANSCRIPTASE REVERSA é a enzima que usa um molde de RNA de fita simples e faz uma cópia de DNA (Figura 13.20). O molde de RNA pode ser transcrito do DNA por RNA-polimerase ou obtido de outra fonte, como um RNA de vírus. A cópia de DNA produzida do RNA pela transcriptase reversa é conhecida como DNA complementar (pois é complementar ao molde de RNA), ou cDNA. O retrovírus (RNA viral) contém uma transcriptase reversa, a qual copia o RNA do genoma viral. Um cDNA de dupla fita é produzido e pode integrar-se ao genoma humano (ver Figura 12.23). Após a integração, os genes virais podem estar inativos ou ser transcritos, algumas vezes causando doenças como a AIDS ou o câncer.
SÍNTESE DE RNA/ TRANSCRIÇÃO DO RNA 
A síntese de RNA a partir de um DNA-molde é chamada de transcrição.
Os genes são transcritos por enzimas chamadas de RNA-polimerases as quais geram uma fita simples de RNA idêntica na seqüência (com exceção do U no lugar do T) a uma das fitas da dupla fita de DNA.
O DNA-molde é copiado na direção 3’ para 5’, e o RNA transcrito é sintetizado na direção 5’ para 3’. 
As RNApolimerases diferem das DNA-polimerases, pois podem iniciar a síntese de novas fitas na ausência de um iniciador (primer).
As seqüências específicas no DNA, chamadas de promotores, determinam onde a RNApolimerase se liga e com que freqüência ela inicia a transcrição.