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Definição
Ácidos nucléicos - Os ácidos nucleicos são moléculas gigantes, formadas por unidades monoméricas menores conhecidas como nucleótidos. Cada nucleótideo, por sua vez, é formado por três partes: um açúcar do grupo das pentoses; um radical “fosfato”, derivado da molécula do ácido ortofosfórico; uma base orgânica nitrogenada,Eles recebem essa denominação pelo fato de possuírem caráter ácido e por serem encontrados no núcleo da célula.
Ácido ribonucleico - O RNA (ácido ribonucleico) é uma molécula responsável pela síntese de proteínas das células do corpo. Sua principal função é a produção de proteínas
História
A descoberta da estrutura do DNA foi feita por James Watson e Francis Crick, em 1953, revelou a dupla hélice, onde duas cadeias de nucleotídeos se enrolam formando uma escada em espiral. Cada cadeia é composta por uma sequência de quatro bases nitrogenadas: adenina (A), timina (T), guanina (G) e citosina (C). A adenina sempre se pareia com a timina e a guanina com a citosina, formando as "runges" da escada.
A descoberta do DNA feita por Watson e Crick é como entender o manual de instruções da vida. Eles descobriram que o DNA tem a forma de uma "escada torcida" (dupla hélice). Essa escada é feita de pedaços menores chamados nucleotídeos.
Os degraus da escada são formados por quatro tipos de peças: adenina (A), timina (T), guanina (G) e citosina (C). Essas peças sempre se juntam de um jeito fixo: A sempre se conecta com T, e G sempre se conecta com C.
Essa estrutura explica como as células copiam o DNA e passam as informações genéticas de uma célula para outra, o que é essencial para a vida.
Estrutura dos Ácidos Nucleicos
A estrutura dos ácidos nucleicos é composta por nucleotídeos, que são unidades formadas por:
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Um grupo fosfato
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Uma pentose, que é um açúcar com cinco carbonos. No caso do DNA é a desoxirribose, e do RNA a ribose.
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Uma base nitrogenada, que pode ser uma purina (Adenina e timina) ou uma pirimidina (Citocina e Guanina, ou substitui-la por uracilo se for no RNA)
Diferenças entre DNA e RNA
Diferenças Estruturais
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Composição das Bases Nitrogenadas:
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DNA (Ácido Desoxirribonucleico) contém quatro bases nitrogenadas: Adenina (A), Guanina (G), Citosina (C) e Timina (T).
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RNA (Ácido Ribonucleico) também possui Adenina, Guanina, Citosina, mas a Uracila (U) substitui a Timina.
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Tipos de Açúcar:
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O DNA contém um açúcar chamado desoxirribose, que tem um átomo de oxigênio a menos comparado ao açúcar no RNA.
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O RNA possui ribose como açúcar, o que o torna menos estável e mais suscetível à degradação.
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Número de Fitas:
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O DNA é formado por duas fitas dispostas em uma estrutura de dupla hélice, estabilizada por pontes de hidrogênio entre as bases complementares (A com T, e C com G).
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O RNA, por outro lado, é geralmente monocatenário (fita simples), embora possa formar estruturas secundárias com trechos que se emparelham, como nos loops de tRNA.
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Função Biológica
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Armazenamento de Informação Genética:
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O DNA é a molécula de armazenamento das informações genéticas em todos os organismos vivos, exceto alguns vírus. Ele contém o manual completo para o funcionamento, crescimento e reprodução das células.
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O RNA atua como intermediário na conversão da informação contida no DNA em proteínas. Ele desempenha papéis diversos dependendo do tipo de RNA, como veremos a seguir.
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Replicação e Estabilidade:
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O DNA é replicado de forma precisa antes da divisão celular, permitindo que as informações genéticas sejam passadas de geração em geração com alta fidelidade.
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O RNA tem um papel mais transitório, com várias formas de RNA sendo sintetizadas rapidamente a partir do DNA e, em muitos casos, rapidamente degradadas após cumprir sua função. Isso o torna mais dinâmico e temporário.
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Tipos de RNA e Suas Funções
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RNA Mensageiro (mRNA):
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O mRNA transporta a informação do DNA no núcleo até os ribossomos no citoplasma, onde as proteínas são sintetizadas. Ele é transcrito a partir do DNA e traduzido para proteínas em um processo conhecido como tradução.
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RNA Transportador (tRNA):
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O tRNA atua na síntese proteica, transportando aminoácidos para o ribossomo de acordo com a sequência de códons no mRNA. Cada tRNA possui uma sequência específica de três nucleotídeos (anticódon) que se emparelha com o códon complementar no mRNA.
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RNA Ribossômico (rRNA):
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O rRNA é o componente estrutural e funcional dos ribossomos, as "fábricas" celulares onde ocorre a tradução do mRNA em proteínas.
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Outros Tipos de RNA:
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Existem ainda outros tipos de RNA, como microRNA (miRNA) e RNA de interferência (siRNA), que atuam na regulação gênica e defesa celular, interferindo na expressão de genes específicos.
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Localização Celular
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O DNA está principalmente localizado no núcleo das células eucarióticas, enquanto em procariontes ele se encontra no citoplasma em uma região chamada nucleoide.
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O RNA é produzido no núcleo (em eucariontes) e depois transportado para o citoplasma, onde atua em várias funções, principalmente na síntese de proteínas. O RNA também pode ser encontrado em estruturas como os ribossomos.
Estabilidade e Degradação
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O DNA é uma molécula altamente estável, capaz de sobreviver por longos períodos. Essa estabilidade é crucial para garantir que as informações genéticas sejam preservadas.
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O RNA é menos estável, principalmente devido à sua estrutura de fita simples e à presença da ribose, o que o torna mais suscetível à degradação por enzimas chamadas ribonucleases.
Processos Associados
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Replicação:
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A replicação é um processo associado ao DNA, onde a molécula se duplica de forma semiconservativa, resultando em duas cópias idênticas, cada uma com uma fita original e uma nova fita.
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Transcrição:
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A transcrição é o processo de síntese de RNA a partir de uma fita molde de DNA. Durante a transcrição, a DNA polimerase lê a sequência de DNA e sintetiza o RNA complementar. Esse processo ocorre no núcleo nas células eucariontes.
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Tradução:
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A tradução é o processo em que o mRNA é traduzido em uma sequência de aminoácidos, resultando na formação de uma proteína. Isso ocorre nos ribossomos, onde o tRNA transporta os aminoácidos correspondentes para a montagem da proteína.
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Replicação do DNA
A replicação do DNA é o processo pelo qual uma célula faz uma cópia exata de seu DNA antes de dividir-se. É essencial para a continuidade da informação genética em organismos. Etapas do processo de replicação:
Etapa 1: Iniciação
A replicação começa em uma sequência específica de nucleotídeos chamada origem de replicação, que serve como local de ligação para proteínas que iniciam o processo de síntese do DNA. Essas proteínas incluem as enzimas DNA helicases, que, por meio da quebra de moléculas de ATP, promovem a abertura e o desenrolamento das duas fitas de DNA.
A síntese de DNA é bidirecional, ou seja, a replicação se expande em ambas as direções a partir da origem, formando estruturas chamadas forquilhas de replicação. Uma vez que as fitas parentais são separadas, elas tendem a se reassociar novamente, o que é um problema resolvido pelas proteínas SSB (proteínas ligadoras de fita simples). Essas proteínas estabilizam as fitas parentais e evitam que elas se unam novamente.
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Etapa 2: Alongamento (Elongação)
- A DNA polimerase é a enzima crítica para o processo de replicação, mas ela não pode iniciar a síntese de DNA sozinha. Ela depende da ação de uma outra enzima, a primase, um tipo especial de RNA polimerase que sintetiza um fragmento curto de RNA chamado primer. A partir da extremidade 3' desse primer de RNA, a DNA polimerase começa a adicionar nucleotídeos para construir a nova fita de DNA complementar à fita parental.
- A DNA polimerase catalisa a ligação entre os nucleotídeos, formando ligações fosfodiéster e adicionando nucleotídeos na direção 5' para 3' da fita que está sendo formada. Isso é uma característica essencial de todas as DNA e RNA polimerases, incluindo a própria primase: adicionar nucleotídeos sempre na direção 5' para 3'.
- A energia necessária para essa reação de polimerização vem dos próprios nucleotídeos trifosfatados que estão sendo adicionados à nova fita de DNA.
Durante a replicação, existem duas fitas sendo sintetizadas:
- Fita Contínua: Esta fita é chamada de fita líder, pois sua síntese ocorre continuamente a partir de um único primer de RNA. A DNA polimerase simplesmente segue o desenrolamento da hélice.
- Fita Descontínua: Devido ao anti-paralelismo das fitas de DNA (uma corre na direção oposta à outra), a outra fita, chamada de fita retardada, não pode ser replicada de forma contínua. Sua síntese requer vários primers de RNA e ocorre em pequenos fragmentos chamados fragmentos de Okazaki.
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Etapa 3: Finalização
Para formar uma fita contínua a partir da fita descontínua (fita retardada), vários passos são necessários:
-- Os primers de RNA devem ser removidos, tarefa realizada pela enzima RNase H.
-- Após a remoção dos primers, as lacunas resultantes são preenchidas por sequências de DNA, adicionadas por outra DNA polimerase.
-- Finalmente, os fragmentos de Okazaki são unidos pela DNA ligase, que utiliza a energia do ATP para formar as ligações necessárias entre os fragmentos, completando a síntese da fita descontínua.
Resumo das Principais Enzimas Envolvidas:
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Helicase: Desenrola o DNA.
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SSB: Mantêm as fitas de DNA separadas.
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Primase: Sintetiza o primer de RNA.
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DNA Polimerase III: Estende a nova fita de DNA.
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DNA Polimerase I: Remove o primer de RNA e o substitui por DNA.
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Ligase: Une os fragmentos de Okazaki na fita retardada.
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Topoisomerase: Alivia a tensão criada pelo desenrolamento do DNA.
Transcrição e Tradução: (Sintese proteica)
Após a replicação do DNA, o próximo passo essencial no fluxo de informação genética é a transcrição e a tradução. Esses dois processos fazem parte do chamado Dogma Central da Biologia Molecular, que descreve como a informação contida no DNA é convertida em proteínas, que desempenham funções cruciais nas células. Vamos detalhar cada um desses processos.
Transcrição: O DNA é Copiado em RNA
A transcrição é o processo pelo qual a informação contida em um gene no DNA é copiada para uma molécula de RNA mensageiro (mRNA). O RNA gerado serve como intermediário para transportar as instruções genéticas do núcleo da célula (onde o DNA está) até o citoplasma, onde a síntese de proteínas ocorre. Esse processo envolve três etapas principais: iniciação, alongamento e finalização.
Etapa 1: Iniciação
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A transcrição começa em regiões específicas do DNA chamadas promotores, que são sequências de nucleotídeos localizadas antes do início do gene que será transcrito.
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A enzima responsável pela síntese de RNA é a RNA polimerase. Ela se liga ao promotor com a ajuda de proteínas chamadas fatores de transcrição, que ajudam a orientar a RNA polimerase para o local certo.
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Uma vez ligada ao promotor, a RNA polimerase desenrola a fita dupla do DNA para expor a sequência que será transcrita.
Etapa 2: Alongamento
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A RNA polimerase começa a mover-se ao longo da fita de DNA, adicionando nucleotídeos de RNA complementares à fita de DNA molde. O RNA é sintetizado na direção 5' para 3', similar à replicação do DNA.
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Na fase de elongação ou alongamento, os nucleotídeos são incorporados a uma fita molde de DNA, e a outra fita de DNA permanece inativa. Os nucleotídeos estão presentes no núcleo livremente e ligam-se à fita molde de uma forma definida, pois as bases nitrogenadas são complementares. Neste processo, a timina (T) no DNA é substituída pela uracila (U) no RNA.
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O RNA resultante é chamado de pré-mRNA em eucariotos, pois precisa passar por modificações antes de ser funcional.
Etapa 3: Finalização
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A transcrição termina quando a RNA polimerase atinge uma sequência no DNA chamada sequência terminadora, que sinaliza o fim do gene.
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A RNA polimerase então libera o RNA recém-sintetizado e se desprende do DNA.
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Em procariotos, o mRNA está imediatamente pronto para ser traduzido. Em eucariotos, o pré-mRNA precisa passar por uma série de modificações.
Tradução: O RNA é Convertido em Proteína
A tradução é o processo em que a sequência de nucleotídeos no mRNA é usada para construir uma cadeia de aminoácidos, que se dobrará para formar uma proteína funcional. Esse processo ocorre nos ribossomos, estruturas celulares compostas de RNA ribossomal (rRNA) e proteínas, localizadas no citoplasma ou no retículo endoplasmático rugoso. A tradução também é dividida em três etapas principais: iniciação, alongamento e terminação.
Etapa 1: Iniciação
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A tradução começa quando o mRNA se liga a um ribossomo. Essa ligação ocorre na extremidade 5' do mRNA, onde o "cap" ajuda a guiar o mRNA até o ribossomo.
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O processo também requer a presença de RNA transportador (tRNA), que carrega os aminoácidos correspondentes às codificações no mRNA. Cada tRNA possui um anticódon, que é complementar ao códon (sequência de três nucleotídeos) no mRNA.
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A iniciação da tradução começa quando o ribossomo se liga ao primeiro códon do mRNA, que é o códon de iniciação. Em quase todos os organismos, o códon de iniciação é AUG, que codifica o aminoácido metionina.
Etapa 2: Alongamento
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Durante o alongamento, o ribossomo se move ao longo do mRNA, lendo os códons em sequência.
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A cada códon, um tRNA correspondente se liga ao códon, entregando o aminoácido apropriado. O ribossomo então catalisa a formação de uma ligação peptídica entre os aminoácidos, formando uma cadeia polipeptídica.
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À medida que o ribossomo avança, ele move o tRNA usado para fora do ribossomo e permite que um novo tRNA com o próximo aminoácido se ligue ao próximo códon. Esse processo continua até que a cadeia de aminoácidos esteja completa.
Etapa 3: Finalização
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A tradução termina quando o ribossomo encontra um códon de terminação (UAA, UAG ou UGA) no mRNA. Esses códons não codificam aminoácidos, mas sinalizam o fim da síntese proteica.
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Quando o códon de terminação é lido, um fator de liberação se liga ao ribossomo, fazendo com que a cadeia polipeptídica recém-sintetizada seja liberada.
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O ribossomo então se dissocia, e a proteína recém-formada é liberada para sofrer dobramentos e modificações adicionais, que são necessários para que ela atinja sua forma funcional.
Esses dois processos são essenciais para a expressão gênica, convertendo a informação contida no DNA em proteínas funcionais, que desempenham uma variedade de papéis na célula, desde catalisar reações bioquímicas (enzimas) até fornecer estrutura (colágeno) e regular processos celulares (hormônios e receptores).
Essas etapas garantem que as instruções genéticas codificadas no DNA sejam interpretadas e usadas para produzir as proteínas necessárias para a sobrevivência e funcionamento da célula.
Mutação e Reparação do DNA
O DNA, sendo o material genético fundamental, precisa ser copiado e transmitido com alta precisão. No entanto, mutações podem ocorrer, levando a alterações na sequência de nucleotídeos do DNA. Para minimizar os efeitos prejudiciais dessas alterações, as células possuem mecanismos robustos de reparação do DNA, que ajudam a preservar a integridade do genoma.
Mutação: Alterações na Sequência de DNA
As mutações são mudanças permanentes na sequência de nucleotídeos do DNA. Elas podem ocorrer espontaneamente durante a replicação do DNA ou ser induzidas por agentes externos, como radiação e substâncias químicas. As mutações podem ser prejudiciais, neutras ou, em alguns casos, benéficas para o organismo. As mutações são classificadas em diferentes tipos, dependendo da sua natureza e da extensão da alteração:
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Por efeito na estrutura:
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Mutação Gênica (Pontual)
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Substituição de Bases: Uma única base nitrogenada no DNA é substituída por outra. Esse tipo de mutação pode ter diferentes impactos:
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Mutação Silenciosa: A substituição de nucleotídeo não altera o aminoácido codificado pela sequência de DNA, portanto, a proteína resultante não é afetada.
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Mutação Missense (Sentido errado): A troca de uma base resulta na substituição de um aminoácido na proteína final. Isso pode alterar a função da proteína, tornando-a defeituosa ou alterando seu comportamento.
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Mutação Nonsense (Sem sentido): A substituição gera um códon de terminação prematuro, interrompendo a síntese da proteína e resultando em uma proteína truncada, que geralmente é não funcional.
2. Mutação de Inserção ou Deleção
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Inserção: Adição de um ou mais nucleotídeos na sequência de DNA.
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Deleção: Remoção de um ou mais nucleotídeos.
Ambos podem causar mudanças estruturais significativas na proteína, especialmente se ocorrerem em múltiplos de três nucleotídeos. Inserções ou deleções que não sejam múltiplos de três podem causar uma mudança na pauta de leitura (frameshift), alterando drasticamente a sequência de aminoácidos da proteína resultante.
3. Mutação Cromossômica
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Envolve alterações maiores, como deleções, duplicações, inversões ou translocações de grandes segmentos de cromossomos. Essas mutações podem ter impactos severos, afetando múltiplos genes simultaneamente.
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Por função genética de DNA:
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Mutações de perda de função: São aquelas que resultam em um produto gênico que tem menos ou nenhuma função, em comparação ao gene não mutado. Quando o alelo perde completamente a função (alelo nulo), denomina-se uma mutação amórfica. Fenótipos associados a essas mutações geralmente são recessivos, exceto quando o organismo é haploide ou quando a dosagem reduzida do gene normal não é suficiente para produzir um fenótipo normal (haploinsuficiência).
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Mutações de ganho de função: Mudam o produto gênico de forma que este ganhe uma nova função. Essas mutações geralmente apresentam fenótipos dominantes e podem ser denominadas neo-mórficas.
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Mutações negativas dominantes (neo-mórficas): Ocorre a produção de um produto gênico alterado que age de forma antagônica ao alelo selvagem. Essas mutações levam a uma ação molecular alterada (geralmente inativa) e são caracterizadas por um fenótipo dominante ou com dominância incompleta. Um exemplo humano desse tipo de mutação é a síndrome de Marfan, na qual a glicoproteína produzida pelo alelo mutante é antagônica ao produto do alelo normal.
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Por aspecto do fenótipo afetado:
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Mutação morfológica: Afeta a aparência externa de um organismo, como mudar a altura de uma planta ou modificar a forma de suas sementes de lisa para rugosa.
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Mutação bioquímica: Resulta em quebras nas rotas bioquímicas de transformação enzimática. Frequentemente, mutações morfológicas são o resultado de modificações em rotas enzimáticas.
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Pela herança:
A maioria dos organismos eucarióticos, incluindo o ser humano, contém duas cópias de cada gene em seu genoma – uma de origem paterna e outra materna. As mutações podem ser classificadas quanto à forma como são herdadas nesse sistema diplóide:
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Mutação bioquímica: Resulta em quebras nas rotas bioquímicas de transformação enzimática. Frequentemente, mutações morfológicas são o resultado de modificações em rotas enzimáticas.
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Selvagem ou homozigoto não mutado: Ocorre quando nenhum dos alelos está mutado.
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Mutação em heterozigose: Quando apenas um dos alelos está mutado.
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Mutação em homozigose: Quando tanto o alelo parental quanto o maternal têm uma mutação idêntica.
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Mutação em heterozigose composta: Quando os alelos materno e paterno apresentam mutações diferentes.
Causas de Mutação
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Erros durante a replicação do DNA: Embora o processo de replicação seja altamente preciso, pequenas falhas podem ocorrer, resultando em substituições de bases ou inserções/deleções.
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Mutagênicos químicos: Substâncias como benzeno, formaldeído, e compostos presentes no fumo podem causar alterações na estrutura do DNA.
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Radiação: Radiações ionizantes (raios X, raios gama) e a radiação ultravioleta (UV) podem causar danos ao DNA. A radiação UV, por exemplo, pode levar à formação de dímeros de timina, onde duas timinas adjacentes se unem anormalmente, distorcendo a hélice de DNA.
Importância Biologica
A importância biológica dos ácidos nucleicos é enorme, pois eles são os principais responsáveis por armazenar e transmitir a informação genética que define os seres vivos. Aqui estão alguns dos principais pontos:
1. Hereditariedade:
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O DNA carrega a informação genética de uma geração para outra, garantindo que características sejam herdadas e que os organismos possam se reproduzir.
2. Síntese de Proteínas:
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O RNA converte as instruções do DNA em proteínas, que são os principais blocos de construção e operadores funcionais das células. Proteínas desempenham papéis essenciais em todas as atividades biológicas.
3. Regulação Gênica:
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Pequenos RNAs, como miRNA e siRNA, regulam a expressão gênica, controlando quais genes serão ativados ou desativados, e em que momento. Isso permite que as células ajustem suas funções conforme necessário.
4. Evolução e Diversidade:
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Mutação nos ácidos nucleicos é a fonte de variação genética, essencial para a evolução. Essas mudanças podem levar à adaptação, criando diversidade biológica e permitindo que os organismos evoluam ao longo do tempo.
5. Reparação e Manutenção Genética:
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Mecanismos de reparo do DNA corrigem erros que surgem durante a replicação ou como resultado de danos externos, garantindo a estabilidade genética e prevenindo doenças, como o câncer.
6. Desenvolvimento Celular:
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O DNA e o RNA orientam o desenvolvimento celular em organismos multicelulares, controlando quando e como as células se dividem e se especializam.
7. Vírus e Defesa Celular:
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Muitos vírus, como os de RNA, usam ácidos nucleicos para infectar células. Ao mesmo tempo, o sistema imunológico usa o RNA para detectar e combater essas infecções, como acontece com o RNA de interferência.
8. Regulação da Expressão Gênica:
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RNA regula diretamente quais genes serão expressos, permitindo uma resposta rápida a mudanças no ambiente celular ou no organismo.
Portanto, os ácidos nucleicos não apenas armazenam informações genéticas, mas também regulam, protegem e adaptam os organismos, garantindo a vida e sua diversidade.
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