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4.5: Estrutura dos ácidos nucléicos - Biologia

4.5: Estrutura dos ácidos nucléicos - Biologia



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objetivos de aprendizado

Descreva a estrutura básica dos ácidos nucléicos

Os ácidos nucléicos são macromoléculas essenciais na continuidade da vida. Eles carregam a planta genética de uma célula e carregam instruções para o funcionamento da célula.

Os dois tipos principais de ácidos nucléicos são o ácido desoxirribonucléico (DNA) e o ácido ribonucléico (RNA). O DNA é o material genético encontrado em todos os organismos vivos, desde bactérias unicelulares até mamíferos multicelulares.

O outro tipo de ácido nucléico, o RNA, está mais envolvido na síntese de proteínas. As moléculas de DNA nunca deixam o núcleo, mas usam um intermediário de RNA para se comunicar com o resto da célula. Outros tipos de RNA também estão envolvidos na síntese de proteínas e sua regulação.

O DNA e o RNA são constituídos por monômeros conhecidos como nucleotídeos. Os nucleotídeos se combinam para formar um polinucleotídeo, DNA ou RNA. Cada nucleotídeo é feito de três componentes: uma base nitrogenada, um açúcar pentose (cinco carbonos) e um grupo fosfato (Figura 1). Cada base nitrogenada em um nucleotídeo está ligada a uma molécula de açúcar, que está ligada a um grupo fosfato. Os nucleotídeos se ligam por ligações fosfodiéster para formar o polinucleotídeo.

Estrutura Dupla Helicoidal de DNA

O DNA possui uma estrutura em dupla hélice (Figura 2). É composto de duas fitas, ou polímeros, de nucleotídeos. As fitas são formadas com ligações covalentes entre fosfato e grupos de açúcar de nucleotídeos adjacentes.

Os dois fios estão ligados entre si em suas bases com ligações de hidrogênio, e os fios se enrolam ao longo de seu comprimento, daí a descrição de “dupla hélice”, que significa uma espiral dupla.

Os grupos alternados de açúcar e fosfato ficam do lado de fora de cada fita, formando a espinha dorsal do DNA. As bases nitrogenadas são empilhadas no interior, como os degraus de uma escada, e essas bases par; os pares estão ligados entre si por ligações de hidrogênio. As bases se emparelham de tal forma que a distância entre as estruturas das duas fitas é a mesma ao longo de toda a molécula.


3.4 Ácidos Nucleicos

Os ácidos nucléicos são as moléculas que formam o ácido desoxirribonucléico (DNA) e ácido ribonucleico (RNA) As moléculas de DNA e RNA transportam informações de um local para outro dentro de um organismo e de geração em geração. Em suma, o DNA e o RNA são moléculas que contêm informações e são o modelo de toda a vida.

Figura 3.8 Um nucleotídeo é composto de um fosfato, um açúcar e uma base.

As estruturas do DNA e do RNA consistem em uma fita de açúcares alternados e moléculas de fosfato (um átomo de fósforo cercado por 4 átomos de oxigênio) ao longo da "espinha dorsal" da molécula. Ligado a cada açúcar está uma estrutura em anel contendo nitrogênio chamada base. Um fosfato, açúcar e base unidos formam um nucleotídeo. Esses nucleotídeos se unem para criar o longo trecho de ácido nucléico que forma o DNA ou RNA.

Figura 3.9 As quatro bases de DNA & # 8211 adenina, guanina, citosina e timina.

No DNA existem quatro bases: guanina (G), adenina (A), timina (T) e citosina (C). O DNA existe como uma molécula de fita dupla, com duas dessas fitas de ácido nucléico emparelhadas por interações entre as bases. No DNA, o par de A's com T's e o par de C's com G's.

Figura 3.10 Imagem da molécula de DNA mostrando sua estrutura em forma de escada

Assim, a molécula de DNA pode ser considerada uma escada torcida com os trilhos laterais da escada como a espinha dorsal do açúcar-fosfato e os degraus da escada como as bases de interação.

Se todo o DNA de uma única célula humana fosse esticado, teria cerca de 2 metros de comprimento! No entanto, o DNA em uma célula humana é empacotado em 46 fitas separadas, ou cromossomos. Esses cromossomos passam a maior parte do tempo na célula em um arranjo bagunçado (pense em um prato de espaguete).

O DNA é a molécula de herança para a maioria dos organismos biológicos (existem alguns vírus que usam o RNA). Seu DNA compartilhado com membros da família tem muito a ver com características compartilhadas que você pode ter com seus parentes biológicos.

Figura 3.11 Outro desenho da molécula de DNA mostrando sua estrutura como uma dupla hélice (ou escada torcida). Novamente, os lados da escada são as ligações açúcar-fosfato e os degraus da escada são as bases contendo nitrogênio.

As moléculas de RNA são sintetizadas a partir de um molde de DNA. A molécula de RNA é muito semelhante ao DNA no sentido de que tem uma estrutura de açúcar-fosfato (exceto neste caso o açúcar é a ribose), e cada açúcar está ligado a uma base. No entanto, no RNA não há timina (T); em vez disso, o RNA usa a base relacionada uracila (U) em seu lugar. Além disso, o RNA existe em uma única fita.

Veja o vídeo abaixo para uma comparação de DNA e RNA:

O RNA é importante para várias funções que têm a ver com a ligação de outra classe de biomoléculas, aminoácidos, em uma estrutura chamada de proteína.

Figura 3.12 RNA versus DNA fitas


Ácidos Nucleicos: Significado e Estrutura | Macro moléculas

Os ácidos nucléicos são polímeros de cadeia longa de nucleotídeos que são unidos por meio de ligações fosfodiéster. Nas ligações fosfodiéster, uma molécula de ácido fosfórico forma ligações com o carbono 3 & # 8242 de uma molécula de pentose, bem como com o carbono 5 & # 8242 de uma segunda molécula de pentose.

Assim, cada açúcar e ácido fosfórico formam ligações com duas moléculas de ácido fosfórico e pentose, essas ligações geram o esqueleto açúcar-fosfato dos ácidos nucleicos. As bases de DNA e RNA estão ligadas ao carbono 1 & # 8242 dos resíduos de pentose.

Este conjunto de resíduos de ácido fosfórico, pentose e base orgânica é conhecido como polidesoxirribonucleotídeo no caso do DNA e polirribonucleotídeo no caso do RNA. Cada nucleotídeo é composto de três moléculas distintas: uma molécula de açúcar, ácido fosfórico e uma base nitrogenada.

Estrutura dos ácidos nucléicos:

Açúcar:

Todos os nucleotídeos contêm um açúcar de 5 carbonos (pentose), a pentose ribose é encontrada no RNA, enquanto a desoxirribose é encontrada no DNA. Nas moléculas de desoxirribose, um átomo de oxigênio (O) está faltando na posição 2 & # 8242 (Fig. 3.1). Os ácidos nucléicos (NA) são nomeados após o açúcar presente neles, por exemplo,

Ribose + ácido nucleico - & gt Ribose-ácido nucleico, comumente escrito como & # 8220 ácido ribonucléico & # 8221 (RNA).

Desoxirribose + ácido nucleico - & gt desoxirribose-ácido nucleico, comumente escrito como & # 8220 desoxirribo & ácido shinucleico & # 8221 (DNA).

Ácido fosfórico:

O ácido fosfórico (H3PO4) (Fig. 3.2) é ligado a cada açúcar nas posições 3 & # 8242 e 5 & # 8242 C para dar origem ao esqueleto açúcar-fosfato. Os nucleotídeos livres na célula têm 3 resíduos de fosfato, geralmente ligados ao 5 & # 8242 C da pentose. Durante a formação da ligação fosfodiéster, dois grupos fosfato são removidos de um dos dois nucleotídeos participantes.

Bases Nitrogênicas:

As bases dos ácidos nucléicos são compostos heterocíclicos contendo nitrogênio e carbono em seus anéis. As bases nitrogenadas são de dois tipos: pirimidinas e purinas.

Pirimidinas:

O anel de pirimidina é semelhante ao anel de benzeno, exceto que contém nitrogênio no lugar de carbono nas posições 1 e 3 (Fig. 3.3). Eles também contêm um oxigênio cetônico (= 0) na posição 2. Existem três pirimidinas comuns citosina (C), timina (T) e uracila (U).

A timina contém dois cetooxigênios nas posições 2 e 6 e um grupo metil (-CH3) na posição 5. A citosina contém um ceto oxigênio na posição 2 e um grupo amino (-NH2) na posição 6. Essas duas pirimidinas são encontradas no DNA, enquanto outra pirimidina uracila ocorre no RNA no lugar da timina. O uracil difere da timina apenas por não ter um grupo metil na posição 5. As pirimidinas estão associadas a 1 & # 8242 C do açúcar na posição 3.

As purinas têm dois anéis de carbono-nitrogênio. Um dos anéis tem 6 membros (como a pirimidina), enquanto o outro tem 5 membros, os dois anéis compartilham seus 4 e 5 C (Fig. 3.3). Tanto o RNA quanto o DNA contêm os mesmos dois tipos de purinas, a saber, adenina (A) e guanina (G).

A adenina contém um grupo amino (-NH2) na posição 6, enquanto na guanina esta posição é ocupada por um oxigênio cetônico (= 0). Além disso, a guanina tem um grupo amino na posição 2. Ambas as purinas contêm nitrogênio nas posições 1, 3, 7 e 9. As purinas se associam com 1 & # 8242 C de açúcar pentose em sua posição 9 N.

Nucleosídeos:

A combinação de uma base e uma pentose é denominada nucleosídeo (Fig. 3.4). O 1 & # 8242 C da pentose se liga à posição 3 de uma pirimidina ou à posição 9 de uma purina (Fig. 3.5). Os nucleosídeos derivados da ribose são chamados de ribosídeos, embora tendo o desoxi-ribosídeo conhecido como desoxi-ribosídeo, os vários nucleosídeos são os seguintes:

Nucleotídeos:

Quando uma molécula de ácido fosfórico é ligada ao resíduo de pentose de um nucleosídeo, ela é chamada de nucleotídeo. O ácido fosfórico pode se ligar a 5 & # 8217C ou 3 & # 8242 da pentose, portanto, os nucleotídeos são chamados de 5 & # 8242 P3 & # 8242 OH nucleotídeos ou 3 & # 8242 P5 & # 8242 nucleotídeos OH.

No entanto, apenas os nucleotídeos 5 & # 8242 P3 & # 8242 OH ocorrem naturalmente. Existem quatro ribonucleotídeos diferentes (ribotídeos), bem como desoxirribonucleotídeos (desoxirribonucleotídeos) (Tabela 3.2). A estrutura dos nucleotídeos é apresentada na Fig. 3.5. Os nucleotídeos livres presentes nas células são encontrados na forma trifosfato (Fig. 3.6), por exemplo, ATP, GTP, TP, UTP (ribonucleotídeo trifosfatos) e dATP, dGTP, dCTP e dTTP (desoxirribonucleotídeo i fosfatos).

Cadeia Polinucleotídica:

Os nucleotídeos se unem por meio de ligações fosfodiéster para produzir a cadeia polinucleotídica. A formação da ligação fosfodiéster ocorre quando o 3 & # 8242 OH de um nucleotídeo reage com o resíduo de ácido fosfórico ligado ao 5 & # 8242 C de outro nucleotídeo dando origem a (5 & # 8242 C & # 8211 O & # 8211 P & # 8211 O & # 8211 C3 & # 8242) vinculado (Fig. 3.6).

Isso libera um pirofosfato (P-P), uma vez que os nucleotídeos ocorrem naturalmente como trifosfatos. Vários nucleotídeos se ligam dessa maneira para formar uma cadeia de nucleotídeos. Essa cadeia tem um OH livre a 5 & # 8217C (-OH do fosfato ligado ao 5 & # 8217C) em uma extremidade e um -OH livre a 3 & # 8217C na outra extremidade.

Assim, uma cadeia polinucleotídica tem uma polaridade de 5 & # 8242-3 & # 8242 (Fig. 3.7), ela tem um grupo trifosfato em sua extremidade 5 & # 8242 e um grupo -OH livre em sua extremidade 3 & # 8242. O crescimento da cadeia ocorre na direção 5 & # 8242 & # 8211 & gt 3 & # 8242, ou seja, novos nucleotídeos são adicionados apenas ao 3 & # 8242 OH livre do polinucleotídeo. Esta constitui a estrutura primária do DNA, deve-se notar que não impõe qualquer restrição à sequência de bases presentes na cadeia.

DNA Dupla Hélice:

Várias descobertas durante os anos 1940 e # 8217 indicaram que a molécula de DNA era regularmente organizada. Chargaff e outros mostraram que o número de bases purínicas (A + G) foi sempre igual ao número de bases pirimidínicas (T + C). Além disso, houve equivalência entre as bases que transportam o grupo amino (-NH2) na posição 6 (A + C) e aqueles que transportam um oxigênio ceto (= O) nesta posição (T + G).

As razões de adenina para timina e guanina para citosina eram próximas da unidade (1) pelo menos em eucariotos (Tabela 3.3). Estudos de difração de raios-X no DNA durante o início dos anos 1950 & # 8217s por Wilkins, Franklin e outros indicaram que o DNA era uma fibra multifacetada com um diâmetro de cerca de 22 Å, em que os grupos estavam regularmente espaçados 3,4 Å ao longo da fibra e uma unidade ocorreu a cada 34 Å.

As descobertas de análises químicas e estudos cristalográficos de raios-X foram utilizadas por Watson e Crick para desenvolver um modelo de dupla hélice da molécula de DNA, que rapidamente ganhou aceitação universal (Fig. 3.8).

As principais características do modelo de dupla hélice de DNA proposto por Watson e Crick são as seguintes:

(3) O emparelhamento de bases ocorre por ligação de hidrogênio (H). A adenina e a timina formam duas ligações H, enquanto três ligações H estão envolvidas no emparelhamento da guanina com a citosina (Fig. 3.9), essas ligações são representadas como A = T e G = C. A ligação H é uma ligação de energia fraca, mas um grande O número de ligações H dá energia suficiente para manter as duas cadeias complementares juntas com bastante força.

(4) As duas cadeias são enroladas plectonemicamente em torno de um único eixo para formar uma hélice destra.

(5) A rotação da dupla hélice em torno de seu eixo forma uma ranhura larga (maior) e uma estreita (menor) na hélice.

(6) A hélice dá uma volta completa a cada 34 Å, que contém 10 pares de bases. Assim, a distância entre dois pares de bases vizinhos é de 3,4 Å. O diâmetro da dupla hélice é 20 Å (2 nm).

(7) A espinha dorsal da dupla hélice é composta por ligações açúcar-fosfato.

(8) No momento da replicação, as duas fitas complementares de uma dupla hélice separam-se progressivamente. Cada fita de separação serve como um molde oposto ao qual os nucleotídeos livres presentes no citoplasma se alinham por meio do emparelhamento de bases complementares (A = T e G = C).

Esses nucleotídeos se ligam entre si por meio de ligações fosfodiéster. Na conclusão da replicação, duas hélices duplas de progênie são produzidas, cada uma das quais tem uma velha (da dupla hélice parental) e uma nova fita (recém-sintetizada).

(9) A ocorrência de mutações também pode ser explicada com base no modelo de Watson-Crick. Durante a replicação, erros ocasionais no emparelhamento de bases complementares podem ocorrer como resultado, nucleotídeos não complementares podem ser incorporados na mesma posição, o que produziria uma nova fita com sequência de base alterada, por exemplo,

Nesse caso, o erro durante a replicação incorporou um C no lugar de T (oposto a A no antigo suporte).

Em certos vírus, por exemplo, φ X 174, o DNA é de fita simples (Tabela 3.1, 3.3). Nesses casos, não há equivalência entre A e T, e G e C, pois não há fita complementar no DNA. As fitas simples presentes nesses organismos são denominadas fitas positivas (+).

No momento da replicação, as fitas (+) produzem suas fitas complementares menos (-) para se tornarem moléculas de DNA de fita dupla, as formas implicativas, portanto, invariavelmente mostram a equivalência entre A e T, e entre G e C.

Formas de hélices duplas de DNA:

Foi estabelecido que as moléculas de DNA podem assumir diferentes formas conformacionais dependendo de sua sequência de nucleotídeos. A descrição da dupla hélice do DNA nas seções anteriores está relacionada à forma B do DNA, que tem enrolamento à direita e 10,4 pares de bases por volta da hélice (Tabela 3.4).

Além da forma B, várias outras formas de DNA foram descobertas, por exemplo, A-DNA, C-DNA e Z-DNA. Essas formas de DNA diferem em vários aspectos, como número de pares de bases por volta e espaçamento de nucleotídeos ao longo do eixo helicoidal. Algumas das características cristalográficas das diferentes formas de DNA estão sendo descritas.

Essa forma de DNA recebe o nome da orientação em zigue-zague de sua estrutura açúcar-fosfato. (Em contraste, o esqueleto açúcar-fosfato B-DNA segue um caminho regular). Ele mostra o enrolamento à esquerda (Fig. 3.10) e tem 12 pares de bases por volta.

Além disso, as moléculas de desoxirribose têm uma orientação alternada de modo que a unidade de repetição é um dinucleotídeo (compare com B-DNA, onde a unidade de repetição é um mononucleotídeo). Assim, os 12 pares de bases por volta do Z-DNA formam 6 pares de dinucleotídeos. As principais diferenças entre as formas B e Z de DNA estão listadas na Tabela 3.4.

Tem 11 pares de bases por volta, cada volta da hélice sendo 28,6 Å e a rotação da hélice por base é 32,7 °. O aumento vertical por par de bases é de 2,6 Å. A hélice mostra enrolamento destro e tem um diâmetro de 23 Å. A maioria do DNA natural e sintético pode assumir essa configuração. Esta forma está muito próxima da conformação das regiões de dupla fita do RNA.

Esta forma de DNA tem uma hélice de 23,7 Å de diâmetro, na qual ocorrem 9,33 pares de bases por volta, e o eixo sobe 3,32 Å por par de bases. A rotação da hélice é de 38,6 ° por par de bases. Essa configuração pode ocorrer na maioria dos DNAs naturais e sintéticos.

Ácido Ribonucleico (RNA):

O RNA é geralmente de fita simples, contém açúcar ribose (no lugar da desoxirribose encontrada no DNA) e as bases nitrogenadas adenina, guanina, citosina e uracila (U no lugar da timina encontrada no DNA). A cadeia de RNA é formada por ligações fosfodiéster entre ribonucleotídeos. Uma comparação entre DNA e RNA é apresentada na Tabela 3.5. O RNA pode ser classificado, com base em sua função, como (i) RNA genético e (ii) RNA não genético.

É encontrado em vários vírus onde atua como material genético, podendo ser de fita simples ou dupla (Tabela 3.1).

Eles são encontrados em todos os eucariotos e procariontes, exceto vírus.

Os RNAs não genéticos são de cinco tipos, a saber:

Ele funciona como o transportador da informação genética (mensageiro) armazenada no DNA e suporta a tradução dessa informação em proteínas. A proporção de mRNA no RNA celular total varia de 8 a 10%. O comprimento da cadeia de mRNA depende do comprimento do polipeptídeo para o qual codifica e seu tempo de vida é bastante variável.

É sintetizado no nucléolo e é o principal componente (40-60% em peso) do ribossomo. O RNA ribossomal é bastante estável e constitui cerca de 80% do RNA celular total.

É também chamado de RNA solúvel (sRNA) e é bastante estável e constitui cerca de 10-15% do RNA celular. O tRNA tem cerca de 80 nucleotídeos de comprimento e atua como o adotante do aminoácido durante a tradução. Este RNA contém algumas bases incomuns e mostra emparelhamento interno considerável para formar a estrutura de folha de trevo amplamente aceita.

Essa classe de RNA é encontrada associada aos cromossomos e é essencial para sua organização. Constitui cerca de 5% do cromossomo em peso e tem 40-60 bases por molécula de RNA.

Este RNA é sintetizado no início da replicação do DNA (ver mais adiante) para fornecer o 3 & # 8242-OH livre necessário para o funcionamento da DNA polimerase. Ele tem de 10 a 60 bases e é degradado no final da replicação do DNA.


Ácidos nucleicos

A reação de polimerização é mediada por uma enzima, mas a reação geral é basicamente uma reação de esterificação entre um álcool e um fosfoácido. O grupo álcool está localizado na extremidade 3 do açúcar do nucleotídeo, e o grupo fosfoácido está na extremidade 5 do próximo nucleotídeo reagente.

Vamos dizer que o nucleotídeo 1 será o primeiro nucleotídeo. Ele tem um 3` OH em seu açúcar, e este OH atuará como o grupo do álcool.

O nucleotídeo 2 tem uma ligação HOPO3-Açúcar-OH (assim como o nucleotídeo 1), e a parte HO de HOPO3 no nucleotídeo 2 reage com o 3` OH no nucleotídeo 1 e você obtém uma reação de esterificação na qual uma ligação fosfodiéster é formada

Nuc1-O-P-O3-Nuc2, e agora os dois nucleotídeos estão ligados. Essa reação ocorre repetidamente para formar uma longa cadeia de fita única de DNA ou RNA.

Na célula, o grupo HO-PO3-açúcar é na verdade um trifosfato (HO-PO3-PO3-PO3-açúcar), e os grupos fosfato extras fornecem apenas a energia necessária para fazer o processo funcionar.

Porque os genes que fazem de você um ser humano, que permitem que você faça tudo que um ser humano pode fazer, inclusive viver, estão armazenados em seu DNA. E o DNA é convertido em RNA para fazer os produtos gênicos desses genes, que são chamados de proteínas (geralmente). O DNA e o RNA são ambos ácidos nucléicos (ácido desoxirribo nucléico e ácido ribo nucléico).


Quais são as diferenças estruturais entre RNA e DNA?

O DNA tem uma estrutura de dupla hélice. O açúcar e o fosfato estão do lado de fora da hélice e as bases nitrogenadas estão do lado de dentro. Os monômeros do DNA são nucleotídeos contendo desoxirribose, uma das quatro bases nitrogenadas (A, T, G e C) e um grupo fosfato. O RNA é geralmente de fita simples e é feito de ribonucleotídeos que estão ligados por ligações fosfodiéster. Um ribonucleotídeo contém ribose (o açúcar pentose), uma das quatro bases nitrogenadas (A, U, G e C) e o grupo fosfato.

Quais são os quatro tipos de RNA e como eles funcionam?

Os quatro tipos de RNA são RNA mensageiro, RNA ribossômico, RNA de transferência e microRNA. O RNA mensageiro carrega as informações do DNA que controla todas as atividades celulares. O mRNA se liga aos ribossomos que são constituídos de proteínas e rRNA, e o tRNA transfere o aminoácido correto para o local da síntese protéica. microRNA regula a disponibilidade de mRNA para tradução.


Assista o vídeo: Bioquímica 55: Ácidos Nucleicos - Biologia - ENEM (Agosto 2022).