BIOMOL/CEL APOSTILA ÁCIDOS NUCLEICOS

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(Biologia Molecular) Estrutura dos ácidos nucléicos
O que é o DNA
Na verdade, DNA é a sigla em inglês para ácido desoxirribonucléico (deoxyribonucleic acid), cuja sigla em português é ADN. O ADN, juntamente com o ARN, ácido ribonucléico (em inglês RNA, ribonucleic acid) são os ácidos nucléicos. Nesta apostila utilizaremos as siglas em português.
Em todos os seres vivos, o ADN é o responsável pela transmissão e o armazenamento das informações necessárias para a embriogênese, o desenvolvimento, o crescimento e o metabolismo. Essas funções só foram atribuídas ao ADN em 1944 porque, até então, acreditava-se que as proteínas eram as responsáveis por essas funções. Quase 10 anos depois, em 1953, foi descrita a estrutura da molécula de ADN pela famosa dupla James Watson e Francis Crick.
E o que são essas informações genéticas que o ADN armazena e transmite
Essas informações genéticas correspondem aos genes, que são trechos da molécula de ADN que contêm as “receitas” para a síntese dos três tipos de ARN: mensageiro (ARNm), ribossômico (ARNr) e transportador ou de transferência (ARNt). O ARNr faz parte da estrutura do ribossomo (organela), o ARNm é o responsável pelo envio da informação ou “receita” contida no ADN para o local de síntese protéica e o ARNt faz o transporte dos aminoácidos. Esses diferentes ARNs participam da síntese de proteínas, como será estudado no próximo capítulo. 
O ADN e o ARN são polímeros de nucleotídeos. Cada nucleotídeo é formado por um grupo fosfato, um açúcar com cinco carbonos (pentose) e uma base nitrogenada (Figura 1). Existem cinco diferentes bases nitrogenadas: adenina (A), guanina (G), citosina (C), timina (T) e uracila (U) (Figura 2). 
Figura 1. Estrutura de um nucleotídeo. Na pentose, os números representam os cinco carbonos.
Fonte: http://aprovaja.blogspot.com.br/2011/09/acido-desoxirribonucleico-dna.html
Figura 2. Esquema das cinco bases nitrogenadas encontradas nos ácidos nucléicos. A uracila, a timina e a citosina são bases pirimídicas, enquanto a adenina e a guanina são púricas.
Fonte: http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/acidos-nucleicos/acidos-nucleicos-2.php
O ADN difere do ARN com relação à pentose, que no ADN é uma desoxirribose e no ARN é uma ribose (Figura 3), daí os nomes desoxirribonucléico e ribonucléico, respectivamente. Também diferem com relação às bases nitrogenadas, uma vez que no ADN não existe uracila e no ARN não existe timina. As demais bases são comuns aos dois ácidos nucléicos. Portanto, podemos dizer que existem quatro tipos de desoxirribonucleotídeos e quatro tipos de ribonucleotídeos, cada um deles com uma base nitrogenada distinta.
Figura 3. Comparação entre um ribonucleotídeo e um desoxirribonucleotídeo. Observe no carbono 2, da pentose a presença de um grupo OH na ribose e de apenas um H na desoxirribose.
Fonte: modificada de http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/acidos-nucleicos/acidos-nucleicos-5.php
Os nucleotídeos se unem através de ligações entre o grupo fosfato de um e a pentose do outro, formando uma cadeia ou fita (Figura 4). O ARN é formado por uma única fita, enquanto que o ADN está formado por duas cadeias de nucleotídeos unidas devido à complementaridade que existe entre as bases nitrogenadas: adenina liga-se à timina e a guanina à citosina (Figura 5). A dupla fita do ADN assume uma configuração espacial de dupla hélice, que pode ser comparada a uma escada em espiral, na qual os corrimãos corresponderiam aos grupos fosfato e às pentoses e os degraus seriam as bases nitrogenadas ligadas de ambas as cadeias (Figura 6). As ligações químicas entre as bases nitrogenadas das fitas complementares do ADN são denominadas pontes de hidrogênio.
Figura 4. Esquema da ligação entre dois desoxirribonucleotídeos. A ligação acontece entre o carbono 3 da desoxirribose de um nucleotídeo e o grupo fosfato do outro.
Fonte: http://www.virtual.epm.br/cursos/biomol/estrut/html/lignucl.htm
Figura 5. Comparação entre a molécula de ADN e a de ARN. 
Fonte: http://www.sobiologia.com.br/conteudos/Citologia2/AcNucleico4.php
Figura 6. Molécula de ADN.
Fonte: modificada de livro didático público/biologia/SEED/PR
Se o ADN de todos os seres vivos é formado pelos mesmos quatro tipos de desoxirribonucleotídeos, o que então diferencia o ADN de um cachorro do ADN de um manjericão, por exemplo É a sequência das bases nitrogenadas ao longo da molécula. O grupo fosfato e a pentose são sempre iguais.
O tamanho da molécula de ADN é medido em pares de bases. No caso do genoma humano, a menor molécula de ADN encontrada mede aproximadamente 50 milhões de pares de bases e a maior, cerca de 250 milhões de pares de bases. Entretanto, cerca de apenas 5 % dessas seqüências são genes, isto é, sequências que codificam ARNs. Segundo a estimativa atual, existem em torno de 25.000 genes no genoma humano. 
Todas as células de um indivíduo têm os mesmos genes, no entanto os genes que efetivamente funcionam em cada célula são distintos. Por exemplo, o gene responsável pela produção de insulina está presente em todas as células do nosso organismo, mas somente está “ligado” e funciona em células do pâncreas. 
A conformação espacial dos três ARNs é distinta. O ARN mensageiro é uma cadeia simples linear de nucleotídeos. O ARN transportador é uma cadeia simples de nucleotídeos que se dobra, assumindo uma forma similar a um trevo (Figura 7). O ARN ribossômico também tem a cadeia simples de nucleotídeos que se dobra para formar a estrutura do ribossomo.
Figura 7. Estrutura do ARN transportador. Observe na extremidade superior do ARNt o local onde o aminoácido se liga e na extremidade inferior o anticódon. 
Fonte: http://www.infoescola.com/genetica/rna-transportador/
Agora que você já conhece a estrutura dos ácidos nucléicos estudaremos, no próximo capítulo, como eles realizam suas funções. 
(Biologia Molecular) Funcionamento dos ácidos nucléicos: duplicação, transcrição e tradução.
No capítulo anterior estudamos a estrutura dos ácidos nucléicos. Agora que você já sabe como eles são, vamos aprender como eles atuam para o armazenamento, a transmissão e a determinação das características. Ao final deste capítulo, você deverá saber como a molécula de ADN se duplica, como é transcrita em ARN e como, a partir do ARN mensageiro, se forma a proteína.
3.a. DUPLICAÇÃO
A molécula de ácido desoxirribonucléico (ADN) é capaz de se duplicar. Esse evento é crucial para que a célula possa se dividir e passar as informações genéticas para as células que se originam. Também é importante para a reprodução dos seres vivos.
Você estudou na disciplina de biologia celular que existem dois tipos de divisão, a mitose e a meiose. Uma célula que sofre mitose origina duas células geneticamente iguais à célula mãe, sendo esse tipo de divisão importante para o crescimento do embrião e para a reposição de células em um indivíduo adulto. Na meiose, originam-se quatro células, contendo cada uma delas metade do material genético da célula mãe, uma vez que essas células filhas, os gametas, serão unidos para que um novo indivíduo seja formado. Independentemente do tipo de divisão celular, sempre ocorre a duplicação do material genético antes da célula se dividir.
 Quando uma célula vai se dividir, ela suspende todas as demais atividades para se dedicar à duplicação do material genético. Ela sai da fase G1 e entra na fase S.
Mas como a partir de uma molécula de ADN surgem duas
Você se lembra que no capitulo 2 vimos que o ADN é formado por duas cadeias ou fitas de nucleotídeos que estão unidas pela complementaridade que existe entre as bases nitrogenadas (A-T; C-G)
A duplicação se inicia com o afastamento dessas duas cadeias de nucleotídeos pela ação da enzima helicase, responsável por desfazer as ligações químicas entre as bases nitrogenadas das cadeias complementares. Como essas cadeias tendem a se unir novamente, aparecem em cena as chamadas proteínas de ligação unifilamentar que mantêm as fitas complementares separadas.O local da molécula de ADN onde ocorre o início da separação das cadeias chama-se origem. Quando as fitas começam a se separar surge uma forquilha de duplicação (Figura 8).
Figura 8. Forquilha de duplicação. Em azul as fitas originais do ADN e em vermelho, as fitas novas.
Fonte: modificada de http://www.unirio.br/unigen/ead/replicacao.htm
 À medida que as fitas se separam, forma-se uma superelicoidização adiante do ponto de afastamento que é reduzida pela topoisomerase ou ADN girase, que faz uma quebra em um segmento do ADN ainda não aberto, diminuindo a tensão, e volta a unir a cadeia. Outra enzima importantíssima é a ADN polimerase (Figura 9). Ela é responsável por ligar nucleotídeos livres para formar as fitas novas complementares a cada uma das fitas do ADN original que servem de molde. Desta forma, cada uma das duas moléculas de ADN produzidas conterá uma fita nova e outra fita velha, sendo a duplicação chamada de semiconservativa (Figura 10). No entanto, a ADN polimerase não é capaz de iniciar a síntese da fita nova, quem faz isso é a enzima primase, que é uma ARN polimerase. Após sintetizar um trecho de cerca de 10 a 12 ribonucleotídeos (primer), a ADN polimerase consegue continuar encaixando os desoxirribonucleotídios livres. No final, os trechos que a primase sintetizou contendo ribonucleotídeos são retirados e substituídos por desoxirribonucleotídeos, processo do qual participa a ADN ligase. 
Figura 9. Esquema com as enzimas responsáveis pela duplicação do ADN.
Fonte: modificada de http://pt.wikipedia.org/wiki/DNA_polimerase_DNA-dependente
Figura 10. Duplicação semiconservativa, com as novas moléculas de ADN formadas por uma fita velha (original) e outra fita nova, recém sintetizada (em azul).
Fonte: modificada de http://www.sobiologia.com.br/conteudos/Citologia2/AcNucleico4.php
Outras enzimas importantes neste processo são as que verificam se a duplicação do ADN está correta. Se algum erro for detectado há a produção de inibidores do ciclo celular e este é interrompido até que o erro seja reparado. A integridade do ADN é verificada em vários pontos durante a divisão celular e, se necessário, pode ocorrer a ativação da morte celular programada (apoptose).
Todo esse sistema de regulação funciona em harmonia, sendo que um desequilibrio pode ocasionar a não proliferação ou a proliferação celular descontrolada, esta última podendo originar um tumor, como estudaremos no último capítulo desta apostila.
3.b. TRANSCRIÇÃO
A transcrição é o processo de formação de um ARN a partir do ADN. Ela ocorre em sequências específicas do ADN, os genes. 
Podemos definir gene como uma seqüência de ADN que codifica um ARN correspondente. Este pode ser um ARNm, um ARNr ou um ARNt. Se for um ARNm, este será posteriormente traduzido para originar uma proteína. Já os ARNr e os ARNt não são traduzidos. Os genes que codificam os ARNt, alguns dos genes para os ARNr e poucos genes para os ARNm estão localizados no genoma das mitocôndrias. A grande maioria dos genes que codificam os ARNm pertence ao ADN nuclear.
Os genes apresentam três regiões: promotor, sequência codificante e finalizador (Figura 11). O início da transcrição ocorre quando o promotor é identificado por proteínas iniciadoras (fatores de transcrição). A seguir, a ARN polimerase, através da polimerização de ribonucleotídeos, forma a fita complementar a uma das fitas de ADN, que serve de molde. Ao chegar à região do finalizador, a ARN polimerase encerra a transcrição. A fita simples sintetizada é o ARN (Figura 12).
Figura 11. Estrutura do gene: em amarelo a região do promotor, em rosa a região codificante e em verde a região finalizadora. 
Figura 12. Transcrição: formação do ARN a partir de uma das fitas do ADN com a participação da enzima ARN polimerase.
Fonte: modificada de http://galileu.esamadora.dyndns.org:81/elearning200809/file.php/46/page_11.htm
Os genes que codificam proteínas nos eucariontes apresentam sequências chamadas de íntrons e sequências chamadas de éxons. Ambas são transcritas, porém apenas as sequências referentes aos éxons serão traduzidas em proteína. O ARNm formado após a transcrição chama-se pré-ARNm, uma vez que contem regiões transcritas tanto dos íntrons quanto dos éxons do gene. Antes de ir para o citoplasma, onde será traduzido, ele é processado para que as regiões correspondentes aos íntrons sejam retiradas (Figura 13). Então, o ARNm maduro, formado apenas pelas regiões correspondentes aos éxons, sairá do núcleo para o citoplasma, onde será traduzido.
Figura 13. Processamento do pré-ARNm. Os íntrons são retirados e os éxons ligados, formando o ARNm maduro.
Fonte: modificada de http://commons.wikimedia.org/wiki/File:DNA_exons_introns.gif
3.c. TRADUÇÃO
A tradução é o processo através do qual uma molécula de ARNm maduro origina uma proteína. Uma vez no citoplasma, o ARNm maduro se une aos ribossomos e com a participação dos ARNt, que trazem os aminoácidos, se forma a proteína. Mas como isso ocorre
O ARNm é uma seqüência de nucleotídeos que deve ser “lida”. A leitura é feita a cada conjunto de três nucleotídeos. A essa trinca de nucleotídeos denomina-se códon. É como se todas as palavras da “linguagem genética” fossem formadas por trincas de nucleotídeos. Para cada códon existe um aminoácido correspondente. Os ribossomos fazem a “leitura” dos códons e os ARNt trazem os aminoácidos correspondentes. Mas como os ARNt sabem qual é o aminoácido correspondente
Cada ARNt apresenta em sua seqüência uma região específica de três nucleotídeos chamada de anti-códon (Figura 14). É essa região que reconhece no ARNm o códon, que deve ser complementar ao anti-códon. Por exemplo, se o códon for GCA, o anti-códon deve ser CGU (lembre-se que nos ARNs não existe timina, em seu lugar está a uracila). Após o reconhecimento do anti-códon pelo códon correspondente, o ARNt solta o aminoácido que é retido pelo ribossomo. Na próxima trinca o processo se repete e outro aminoácido é deixado. O ribossomo, então, liga os aminoácidos entre si. Esse processo ocorre ao longo de toda a sequência do ARNm, resultando na ligação de vários aminoácidos que formam a proteína (Figura 15). Grande parte das enzimas envolvidas no processo de tradução estão nos ribossomos.
Figura 14. Estrutura do ARNt. Observe na extremidade inferior do ARNt o anticódon. O códon correspondente, que faz parte do ARNm está representado à direita. 
Fonte: modificada de http://www.sobiologia.com.br/conteudos/Citologia2/AcNucleico2.php
Figura 15. Tradução do ARNm. Os aminoácidos (círculos rosas) são trazidos pelos ARNt até o ribossomo (em roxo), de acordo com os códons correspondentes.
Fonte: modificada de http://labs.genomics.sinica.edu.tw/chwong/RNA%20as%20a%20Drug%20Target.htm 
O código genético representa o conjunto de todas as trincas possíveis e seus aminoácidos correspondentes. Como existem quatro tipos de nucleotídeos, a combinação deles em trincas origina 64 possibilidades. Observando a tabela da figura 16, você vai notar que alguns aminoácidos são codificados por trincas diferentes o que caracteriza o código genético como degenerado, já que não há para todos os aminoácidos uma correspondência de 1:1 com as trincas.
Figura 16. Tabela com o código genético correspondente ao ARNm. Observe que alguns aminoácidos são codificados por dois ou mais códons. Os códons UAA, UAG e UGA são de parada (stop codon), isto é, sinalizam que nesse ponto a transcrição deve parar. 
Fonte: http://www.sobiologia.com.br/conteudos/Citologia2/AcNucleico4.php
O código genético é universal. Isso significa que não importa qual seja o organismo, as trincas e seus aminoácidos correspondentes serão os mesmos. Graças a essa característica é possível criar transgênicos como, por exemplo, bactérias nas quais se insere o gene da insulina humana e elas produzem insulina humana como o faria uma célula do pâncreas humano. 
Veja abaixo esquema dos processos que ocorrem com os ácidos nucléicos:
 
Como você estudouna disciplina de biologia celular, as proteínas sintetizadas devem ser encaminhadas ao seu destino final. Algumas proteínas são sintetizadas em ribossomos que estão livres no citoplasma, enquanto outras são produzidas nos ribossomos que estão aderidos ao retículo endoplasmático rugoso (RER), sendo injetadas dentro destes. As proteínas podem permanecer dentro da célula, ou podem se integrar à membrana plasmática ou, ainda, podem ser secretadas pela célula (Figura 17).
Figura 17. Diferentes destinos para as proteínas que as células produzem.
Fonte: http://www.sobiologia.com.br/conteudos/Citologia2/AcNucleico4.php
As proteínas que as células produzem passam por várias modificações, tanto no RER como no complexo de Golgi. Essas modificações são cruciais para o funcionamento dessas proteínas e são realizadas pelas várias enzimas existentes nessas organelas. Qualquer falha nessa transformação leva à produção de uma proteína defeituosa, o que pode acarretar doenças. Esse é o caso da síndrome de Ehlers-Danlos, onde os afetados apresentam amolecimento dos ligamentos das articulações (contorcionistas de circo) e lesões nos olhos, tubo digestório e vasos devido a defeitos nas modificações pós-traducionais do colágeno.
Resumidamente, os genes contêm a receita para que nossas células produzam as proteínas. Você aprenderá em outras disciplinas, principalmente em bioquímica, que as proteínas são macromoléculas importantíssimas para a vida. Elas podem ser classificadas como componentes estruturais dos seres vivos, isto é, que participam da estrutura do corpo. Colágeno, queratina, actina, miosina são exemplos de proteínas estruturais. Outro grupo de proteínas essenciais para a vida são as enzimas. Estas funcionam como catalisadores, isto é, aceleram as reações químicas, sendo responsáveis por todo o metabolismo que ocorre em nosso organismo. Acabamos de estudar neste capítulo a duplicação e a transcrição do ADN e vimos que várias enzimas participam desses processos. As proteínas são, diretamente ou indiretamente, responsáveis pela estrutura e funcionamento dos organismos. Sem elas a vida não seria possível.
 
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