Aula de genética genoma nuclear - Ácidos nucléicos - Estrutura e função do DNA e RNA

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Ácidos nucléicos - Estrutura e função do DNA e RNA. Nucleotídeos e polinucleotídeos. mRNA, rRNA, tRNA, miRNA, and siRNA.
Introdução
Ácidos nucleicos, e DNA em particular, são macromoléculas chave para a continuidade da vida. O DNA carrega a informação hereditária que é passada de pais para filhos, fornecendo instruções de como (e quando) fazer as muitas proteínas necessárias para construir e manter o funcionamento das células, tecidos, e organismos.
Como o DNA carrega essa informação, e como ela é colocada em ação pelas células e organismos, é complexo, fascinante, e muito alucinante, e vamos explorar isso em mais detalhes na seção biologia molecular. Aqui, vamos apenas olhar rapidamente os ácidos nucleicos da perspectiva macromolecular.
Papéis do DNA e RNA nas células
Ácidos nucleicos, macromoléculas feitas de unidade chamadas nucleotídeos, vêm em duas variedades naturais: ácido desoxirribonucleico (DNA) e ácido ribonucleico (RNA). O DNA é o material genético encontrado em seres vivos, desde bactérias unicelulares até mamíferos multicelulares como você e eu. Alguns vírus usam RNA, não DNA, como seu material genético, mas não são tecnicamente considerados vivos (já que não podem reproduzir sem ajuda de um hospedeiro).
DNA nas células
Em eucariontes, como plantas e animais, o DNA é encontrado no núcleo, um cofre especializado protegido por uma membrana, assim como em outros tipos de organelas (como as mitocôndrias e os cloroplastos das plantas). Nos procariontes, como as bactérias, o DNA não está em um envelope de membrana, apesar de estar localizado em uma região celular especializada chamada de nucleóide.
Nos eucariontes, o DNA é tipicamente dividido em um número de longos pedaços lineares chamados cromossomos, enquanto que nos procariontes como bactérias, os cromossomos são muito menores e geralmente circulares (em forma de anel). Um cromossomo pode conter dezenas de milhares de genes, cada um provendo instruções de como fazer um produto específico que a célula precisa.
Do DNA para RNA, do RNA para proteínas
Muitos genes codificam produtos proteicos, isto é, especificam a sequência de aminoácidos utilizada para construir uma proteína em particular. Antes que essa informação possa ser utilizada para a síntese de proteínas, no entanto, uma cópia de RNA (resultante da transcrição) do gene deve ser feita em primeiro lugar. Esse tipo de RNA é chamado de RNA mensageiro (RNAm), por servir como mensageiro entre o DNA e os ribossomos, máquinas moleculares que leem as sequências de RNAm e as utilizam para construir proteínas. Essa progressão de DNA para RNA para proteína é chamada de "dogma central" da biologia molecular.
É importante observar que nem todos os genes codificam produtos proteicos. Por exemplo, alguns genes especificam RNAs ribossômicos (RNAr), que servem como componentes estruturais de ribossomos, ou RNAs transportadores (RNAt), moléculas de RNA em forma de trevo que trazem aminoácidos aos ribossomos para a síntese proteica. Ainda outras moléculas de RNA, como pequenos microRNAs (miRNA), agem como reguladores de outros genes, e novos tipos de RNAs não-codificadores de proteínas estão sendo descobertos o tempo todo.
Nucleotídeos
DNA e RNA são polímeros (no caso do DNA, geralmente polímeros muito longos), e são feitos de monômeros conhecidos como nucleotídeos. Quando esses monômeros se combinam, a cadeia resultante é chamada de polinucleotídeo (poli- = "muitos").
Cada nucleotídeo é feito de três partes: uma estrutura anelar contendo nitrogênio chamada de base nitrogenada, um açúcar de cinco carbonos, e pelo menos um grupo fosfato. A molécula de açúcar tem uma posição central no nucleotídeo, com a base ligada a um de seus carbonos e o grupo (ou grupos) fosfato ligado a outro. Vejamos cada parte de um nucleotídeo por vez.
Imagem dos componentes de DNA e RNA, incluindo o açúcar (desoxirribose ou ribose), o grupo fosfato e a base nitrogenada. As bases são bases pirimidinas (citosina, timina no DNA e uracila no RNA, um anel) e as bases purinas (adenina e guanina, dois anéis). O grupo fosfato está ligado ao carbono 5'. O carbono 2' liga-se a um grupo hidroxila na ribose, mas nenhuma hidroxila (apenas hidrogênio) na desoxirribose.
Bases nitrogenadas
As bases nitrogenadas de nucleotídeos são moléculas orgânicas (com base de carbono) feitas de estruturas anelares contendo nitrogênio.
[Por que é chamada de base?]
Por alguns nitrogênios em uma base poderem ser protonados (pegando um H+++
íon extra), as bases nitrogenadas diminuem a concentração de íons de hidrogênio em uma solução e são, portanto, bases no sentido ácido-base.
Cada nucleotídeo no DNA contém uma de quatro possíveis bases nitrogenadas: adenina (A), guanina (G), citosina(C), e timina (T). Adenina e guanina são purinas, o que significa que suas estruturas contém dois anéis de carbono-nitrogênio unidos. Citosina e timina, em contraste, são pirimidinas e têm um único anel de carbono-nitrogênio. Os nucleotídeos de RNA também podem apresentar as bases adenina, guanina e citosina., mas em vez de timina eles têm outra base pirimidina chamada uracila (U). Como mostrado na figura acima, cada base tem uma estrutura única, com seu próprio conjunto de grupos funcionais ligados à estrutura anelar.
Em biologia molecular abreviada, as bases nitrogenadas geralmente são mencionadas por suas letras, A, T, G, C e U. O DNA contém A, T, G e C, enquanto o RNA contém A, U, G e C (isto é, o U é colocado no lugar do T).
Açúcares
Além de terem conjuntos de bases ligeiramente diferentes, os nucleotídeos de DNA e RNA tem açúcares ligeiramente diferentes. O açúcar de cinco carbonos no DNA é chamado de desoxirribose, enquanto que no RNA, o açúcar é ribose. Esses dois são muito similares na estrutura, com apenas uma diferença: o segundo carbono da ribose liga-se a um grupo hidroxila, enquanto o carbono equivalente da desoxirribose tem um hidrogênio. Os átomos de carbono de uma molécula de açúcar de nucleotídeo são numerados como 1', 2', 3', 4', e 5' (1' é lido como "um linha"), como mostrado na figura acima. Num nucleotídeo, o açúcar ocupa uma posição central, com a base ligada a seu carbono 1' e o grupo (ou grupos) fosfato ligado(s) ao carbono 5'.
Fosfato
Os nucleotídeos podem ter um único grupo fosfato, ou uma cadeia de até três grupos fosfato, ligados ao carbono 5' do açúcar. Algumas fontes, em química, utilizam o termo "nucleotídeo" apenas para o caso de fosfato único, mas na biologia molecular, a definição mais ampla é geralmente aceita.
Em uma célula, um nucleotídeo prestes a ser adicionado ao final de uma cadeia de polinucleotídeos estará ligado a uma série de três grupos fosfato. Quando o nucleotídeo se junta a cadeia crescente de DNA ou RNA, perde dois grupos fosfato. Portanto, em uma cadeia de DNA ou RNA, cada nucleotídeo tem apenas um grupo fosfato.
Cadeias de polinucleotídeos
Uma consequência da estrutura de nucleotídeos é que uma cadeia de polinucleotídeos tem direcionalidade, ou seja, ela tem duas extremidades diferentes uma da outra. Na extremidade 5', ou início, da cadeia, o grupo fosfato 5' do primeiro nucleotídeo da cadeia se sobressai. Na outra extremidade, chamada de extremidade 3', a hidroxila 3' do último nucleotídeo adicionado à cadeia é exposta. Em geral, sequências de DNA são escritas na direção 5' para 3', o que significa que o nucleotídeo na extremidade 5' vem primeiro e que o nucleotídeo na extremidade 3' vem por último.
Quando nucleotídeos são adicionados a uma fita de DNA ou RNA, a fita cresce em seu final 3', com o fosfato 5' de um nucleotídeo que entra se ligando ao grupo hidroxila no final 3' da cadeia. Isso faz uma cadeia com cada açúcar unido a seus vizinhos por uma série de ligações chamadas de ligação fosfodiéster.
Propriedades do DNA
As cadeias de ácido desoxirribonucleico, ou DNA, são tipicamente encontradas em uma dupla hélice, uma estrutura na qual duas cadeias correspondentes (complementares) estão ligadas, como mostrado no diagrama à esquerda. Os açúcares e fosfatos localizam-se na parte externa da hélice, formandoo arcabouço do DNA; esta porção da molécula é algumas vezes chamada de esqueleto de açúcar-fosfato. As bases nitrogenadas se estendem para o interior, como os degraus de uma escada, em pares; as bases de um par se unem entre si por ligações de hidrogênio.
Modelo estrutural da dupla hélice de DNA.
Crédito da imagem: Jerome Walker/Dennis Myts.
As duas fitas da hélice vão em direções opostas, isto é, o final 5' de uma fita é pareado como final 3' de sua fita correspondente. (Nos referimos a isto como orientação antiparalela e é importante ao copiar o DNA.)
Então, podem duas bases decidirem se juntar e formar um par na dupla hélice? A resposta é definitivamente não. Por conta dos tamanhos e grupos funcionais das bases, o pareamento de bases é muito específico: A pode apenas fazer par com T, e G pode apenas fazer par com C, como mostrado abaixo. Isso significa que as duas fitas da dupla hélice de DNA tem uma relação bem previsível uma com a outra.
Por exemplo, se você sabe que a sequência de uma fita é 5' -AATTGGCC-3’, a fita complementar deve ter a sequência 3’-TTAACCGG-5’. Isso permite que cada base se combine com sua parceira:
5'-AATTGGCC-3' 3'-TTAACCGG -5'
Estas duas fitas são complementares, uma ligada na outra pelas bases pareadas. Os pares A-T estão ligados por duas ligações de hidrogênio, enquanto os pares G-C são conectados por três ligações de hidrogênio.
Quando duas sequências de DNA se combinam desse jeito, possibilitando a ligação entre si de modo antiparalelo e formando uma hélice, elas são consideradas complementares.
Ligação de hidrogênio entre bases complementares junta as fitas de DNA em uma hélice dupla de fitas antiparalelas. A timina forma duas ligações de hidrogênio com adenina, e guanina forma ligações de três hidrogênios com a citosina.
Imagem adaptada de OpenStax Biology.
Propriedades do RNA
O ácido ribonucleico (RNA), diferente do DNA, é geralmente de fita única. Um nucleotídeo em uma cadeia de RNA conterá ribose (o açúcar de cinco carbonos), uma das quatro bases nitrogenadas (A, U, G ou C), e um grupo fosfato. Aqui, olharemos os quatro tipos principais de RNA: RNA mensageiro (RNAm), RNA ribossômico (RNAr), RNA transportador (RNAt) e RNAs reguladores.
RNA mensageiro (RNAm)
RNA mensageiro (RNAm) é um intermediário entre um gene codificador de proteína e seu produto proteico. Se uma célula precisa fazer uma proteína em especial, o gene codificador da proteína será "ligado", isto é, uma enzima RNA polimerase virá e fará uma cópia de RNA, ou transcrição da sequência de DNA do gene. A cópia carrega a mesma informação da sequência de DNA de seu gene. No entanto, na molécula de RNA, a base T é substituída por U. Por exemplo, se uma fita de DNA codificadora tem a sequência 5’-AATTGCGC-3’, a sequência do RNA correspondente será 3’-UUAACGCG-5’.
Uma vez que um RNAm é produzido, será associado a um ribossomo, uma máquina molecular que é especializada em montar proteínas a partir de aminoácidos. O ribossomo usa a informação no RNAm para fazer uma proteína de uma sequência específica, "lendo" os nucleotídeos de RNAm em grupos de três (chamados códons) e adicionando um aminoácido particular a cada códon.
Imagem de um ribossomo (feito de proteínas e RNAr) ligado a um RNAm, com RNAt trazendo aminoácidos para seres adicionados à cadeia crescente. O RNAt que se liga, e consequentemente, o aminoácido que é acrescentado, em um determinado momento é determinado pela sequência do RNAm que está sendo "lido" naquele momento.
RNA ribossômico (RNAr) e RNA transportador (RNAt)
O RNA ribossômico (RNAr) é um componente importante dos ribossomos, ajudando o mRNA a se ligar no local certo para que a sequência de informações possa ser lida. Alguns RNAr também atuam como enzimas, o que significa que eles ajudam a acelerar (catalisar) reações químicas – neste caso, a formação de ligações que unem os aminoácidos para formar uma proteína. Os RNAs que atuam como enzimas são conhecidos como ribozimas.
RNAs transportadores (RNAt) também estão envolvidos na síntese proteica, mas seu trabalho é agir como carregadores - trazer aminoácidos ao ribossomo, assegurando que o aminoácido adicionado a cadeia é o especificado pelo RNAm. RNAs transportadores consistem de uma fita única de RNA, mas essa fita tem segmentos complementares que ficam juntos para fazer regiões de fita dupla. Esse pareamento de bases cria uma estrutura 3D complexa importante à função da molécula.
Estrutura de um RNAt. A molécula geral tem uma forma mais ou menos parecida com um L.
RNA regulatório (miRNAs e siRNAs)
Alguns tipos de RNAs não codificadores (RNAs que não codificam proteínas) ajudam a regular a expressão de outros genes. Esses RNAs podem ser chamados de RNAs regulatórios. Por exemplo, microRNAs (miRNAs) e RNAs de pequena interferência siRNA são pequenas moléculas de RNA regulatório de 22 nucleotídeos de extensão. Elas se ligam a moléculas específicas de RNAm (com sequências parcial ou completamente complementares) e reduzem sua estabilidade ou interferem em sua tradução, fornecendo uma maneira de a célula diminuir ou ajustar níveis desses RNAm.
Estes são apenas alguns exemplos de vários tipos de RNAs regulatórios e não codificadores. Cientistas ainda estão descobrindo novas variedades de RNA não codificador.
[Mais sobre RNAs regulatórios]
Outros tipos de RNA regulatório, como RNA longo não-codificante (lncRNA) e RNA em interação com piwi (piRNA), também foram descobertos, mas suas funções não são bem entendidas. Há evidências crescentes que miRNAs e outros RNAs pequenos, não-codificantes estão envolvidos em certas doenças humanas, incluindo algumas doenças genéticas e cânceres. Ainda, pesquisadores estão desenvolvendo microRNAs artificiais como ferramentas terapêuticas para tratar doenças humanas.
Estes são apenas alguns exemplos de RNAs regulatórios. Há muitos outros, e mais continuam a ser descobertos ao longo do tempo.
Resumo: características do DNA e RNA
	
	DNA
	RNA
	Função
	Repositório de informação genética
	Envolvido em síntese proteica e regulação gênica; portador de informação genética em alguns vírus
	Açúcar
	Desoxirribose
	Ribose
	Estrutura
	Dupla hélice
	Geralmente de fita única
	Bases
	C, T, A, G
	C, U, A, G