A Molécula da Vida
Durante a evolução da célula formou-se uma molécula, que hoje se sabe ser o ácido desoxirribonucléico (DNA ou ADN): molécula longa, formada pela junção de um grande número de nucleotídeos, e que contém a informação genética codificada. São macromoléculas definidas como sendo polinucleotídeos ligados em cadeia. Enquanto os monômeros das proteínas são os aminoácidos, os nucleotídeos são os monômeros dos ácidos nucléicos.
Os ácidos nucléicos recebem esse nome porque pensava-se que eles fossem encontrados apenas no núcleo da célula. Hoje, sabe-se que eles se encontram tanto no núcleo como no citoplasma das células. São considerados as "moléculas mestras" por controlarem a atividade celular nos seres vivos. São responsáveis pela transferência de informações genéticas e por direcionar a síntese de proteínas. Normalmente, os ácidos nucléicos se associam a proteínas, das quais constituem grupos protéticos. Tais proteínas são chamadas nucleoproteínas.
Existem dois tipos de ácidos nucléicos:
- ácido desoxirribonucléico (ADN ou DNA)
- ácido ribonucléico (ARN ou RNA)
Os nucleotídeos são as unidades formadoras dos ácidos nucléicos. Cada nucleotídeo é formado por:
- uma molécula de ácido fosfórico
- uma molécula de pentose
- uma base nitrogenada
O ácido fosfórico se liga à pentose que, por sua vez liga-se à base nitrogenada. O ácido fosfórico é sempre o mesmo para qualquer nucleotídeo, tanto do DNA como do RNA.
A pentose nos ácidos nucléicos pode ser a ribose ou a desoxirribose. No RNA, a pentose é sempre a ribose, e no DNA, a desoxirribose.
A base nitrogenada pode ser púrica ou pirimídica.
As bases nitrogenadas púricas são formadas por um anel de carbono e outro de nitrogênio. São em número de duas: adenina e guanina e ocorrem tanto no DNA como no RNA.
As bases nitrogenadas pirimídicas são formadas por um único anel de carbono e nitrogênio. São em número de três: citosina, timina e uracila. A base nitrogenada uracila só ocorre no RNA, e a base nitrogenada timina só ocorre no DNA.
Quando um composto é formado por uma pentose unida a uma base nitrogenada, recebe o nome de nucleosídeo.
Um nucleosídeo de grande importância é a adenosina, formada por uma ribose unida à base nitrogenada adenina. A partir do momento em que três grupos fosfato se unem à adenosina, tem-se a formação de um nucleotídeo de grande interesse biológico, o ATP (trifosfato de adenosina). As ligações entre os grupos fosfatos são altamente energéticas, liberando grande quantidade de energia para a célula quando quebradas. Quando uma dessas ligações é rompida, uma grande quantidade de energia é liberada juntamente com um grupo fosfato e o ATP se transforma em ADP (difosfato de adenosina). A energia desprendida nessa transformação pode ser utilizada pela célula para as mais variadas atividades. Para garantir um perfeito mecanismo de obtenção e armazenamento de energia, moléculas de ADP podem se converter em moléculas de ATP por um mecanismo conhecido como fosforilação. Havendo energia disponível, o ADP se liga a um grupo fosfato cedido pela célula, formando o ATP. O ATP, por sua vez, pode ceder energia para a célula, retornando a ADP+P.
Os ácidos nucléicos são polinucleotídeos, isto é, são formados pela união de vários nucleotídeos. A pentose de um nucleotídeo se liga ao ácido fosfórico de outro e assim por diante na formação do ácido nucléico
O DNA constitui uma espécie de código que determina o que uma célula tem. Além disso, o DNA é capaz de produzir uma cópia de si mesmo.
Antes de entra no estudo do DNA propriamente dito, faz-se necessária a compreensão de alguns conceitos sobre relação entre cromossomos e DNA.
Os cromossomos contêm os genes que por sua vez são formados por DNA (ácido desoxirribonucléico). Estes genes permitem a transmissão das informações genéticas de geração a geração.
O material responsável pelo comando e coordenação de toda a atividade celular e pelas divisões celulares e transmissões das características hereditárias está representado nas células pelos cromossomos.
Nas células procarióticas, o cromossomo é uma única molécula de um ácido nucléico, denominado ácido desoxirribonucléico, o DNA.
Nas células eucarióticas, o cromossomo é formado por DNA associado a moléculas de histona, que são proteínas básicas. É na molécula de DNA que estão contidos os genes, responsáveis pelo comando da atividade celular e pelas características hereditárias. Cada molécula de DNA contém vários genes dispostos linearmente ao longo da molécula. Cada gene, quando em atividade, é transcrito em moléculas de outros ácidos nucléicos denominados ribonucléicos, que comandarão a síntese de proteínas.
Nas células procarióticas, os cromossomos encontram-se imersos no próprio citoplasma formando uma estrutura denominada nucleóide. Nas células eucarióticas os cromossomos encontram-se separados dos citoplasma pela membrana nuclear ou carioteca, em uma estrutura denominada núcleo. A presença de carioteca é uma característica típica das células eucarióticas, que as distingue das procarióticas. Além disso, as células procarióticas não apresentam organelas membranosas, como ocorre com as eucarióticas.
Estrutura
A molécula de DNA é constituída por uma seqüência de nucleotídeos,que por sua vez é formado por três diferentes tipos de moléculas:
um açúcar (pentose)
um grupo fosfato
uma base nitrogenada
Nucleotídeo
Segundo Watson e Crick, a molécula de DNA seria formada por duas cadeias nucleotídicas dispostas em uma forma helicoidal. Assim, a molécula de DNA apresenta um estrutura em dupla hélice. Os ácidos fosfóricos e as desoxirriboses da cadeia nucleotídica dispõem-se de maneira a constituir o eixo da hélice, enquanto as bases nitrogenadas se dispõem perpendicularmente ao eixo longitudinal da estrutura e voltadas para o interior dela. Essa organização helicoidal é mantida por pontes de hidrogênio ou ligações de hidrogênio que se estabelecem entre as bases nitrogenadas das duas cadeias. Existem pares de bases nitrogenadas que são, particularmente, adequadas à formação de ligações de hidrogênio: adenina e timina formam entre si duas ligações de hidrogênio, enquanto que guanina e citosina formam três. As duas cadeias nucleotídicas que constituem a dupla hélice do DNA são ditas complementares, isto é, quando em uma cadeia aparece uma adenina, na mesma posição da outra cadeia existe uma timina e vice versa; quando em uma cadeia aparece a guanina, na outra deve existir um citosina e vice versa. Não existe uracila no DNA.
A ligação entre a base nitrogenada e a pentose
Esta ligação é feita covalentemente através de uma ligação N-glicosídica com a hidroxila ligada ao carbono-1 da pentose.
A ligação entre o grupo fosfato e a pentose
Esta ligação é feita através de uma ligação fosfoéster com a hidroxila ligada ao carbono-5 da pentose.
Para a formação da molécula de DNA é necessário que ocorra a ligação entre os nucleotídeos.
Os nucleotídeos estão ligados covalentemente por ligações fosfodiéster formando entre si pontes de fosfato.
O grupo hidroxila do carbono-3 da pentose do primeiro nucleotídeo se liga ao grupo fosfato ligado a hidroxila do carbono-5 da pentose do segundo nucleotídeo através de uma ligação fosfodiéster.
Devido a esta formação a cadeia de DNA fica com uma direção determinada, isto é, em uma extremidade temos livre a hidroxila do carbono-5 da primeira pentose e na outra temos livre a hidroxila do carbono-3 da última pentose.
Isto determina que o crescimento do DNA se faça na direção de 5' para 3'.
Sabendo-se como são feitas as ligações entre os nucleotídeos, formando assim a fita de DNA, podemos analisar a estrutura tridimensional do DNA.
James Watson e Francis Crick postularam o modelo tridimensional para a estrutura do DNA baseando-se em estudos de difração de raio-X.
O DNA consiste de duas cadeias helicoidais de DNA, enroladas ao longo de um mesmo eixo, formando uma dupla hélice de sentido rotacional à direita.
Ainda com base nestes estudos, concluiu-se que na dupla hélice as duas fitas de DNA estão em direção opostas, isto significa que são anti-paralelas. O termo anti-paralelas deve-se ao fato de que uma das fitas tem a direção exata da sua síntese (5'---3') enquanto que a outra está invertida (3'----5').
Esta conformação em fitas anti-paralelas levará à necessidade de mecanismos especiais para a replicação do DNA.
Com base na estrutura de dupla hélice do DNA e nas características de hidrofobicidade das moléculas, a estrutura do DNA fica da seguinte forma:
O grupo fosfato e o açúcar (parte hidrofílica) - estão localizados na parte externa da molécula.
As bases nitrogenadas (parte hidrofóbica) - estão localizadas na parte interna da molécula.
A relação espacial entre as duas fitas cria um sulco principal e um sulco secundário.
O pareamento das bases de cada fita se dá de maneira padronizada, sempre uma purina com uma pirimidina, especificamente: adenina com timina e citosina com guanina.
A proximidade destas bases possibilita a formação de pontes de hidrogênio, sendo que adenina forma duas pontes de hidrogênio com a timina e a citosina forma três pontes com a guanina.
A dupla hélice é mantida unida por duas forças:
Por pontes de hidrogênio formadas pelas bases complementares
Por interações hidrofóbicas, que forçam as bases a se "esconderem" dentro da dupla hélice.
Estudos recentes mostram que existem duas formas de DNA com a hélice girando para a direita, chamadas A-DNA e B-DNA, e uma forma que gira para a esquerda chamada Z-DNA. A diferença entre as duas formas que giram para a direita está na distância necessária para fazer uma volta completa da hélice e no ângulo que as bases fazem com o eixo da hélice.
B-DNA: Tem a dupla hélice mais longa e mais fina. Para completar uma volta na hélice são necessários 10 pares de bases.
A-DNA: Tem a forma mais curta e mais grossa. Para completar uma volta na hélice são necessários 11 pares de bases.
Em solução, geralmente o DNA assume a conformação B. Quando há pouca água disponível para interagir com a dupla hélice, o DNA assume a conformação A-DNA.
Existe uma terceira forma de DNA que difere das duas anteriores, pois seu sentido de rotação é para a esquerda, este tipo de DNA é chamado de Z-DNA. Esta conformação é mais alongada e mais fina do que o B-DNA. Para completar uma volta na hélice são necessários 12 pares de bases. O DNA, em solução com altas concentrações de cátions, assume a conformação Z-DNA.
Em eucariotes o DNA tende a assumir a conformação Z-DNA devido a metilação do DNA.
Propriedades físicas e químicas do DNA
Soluções de DNA, em pH = 7,0 e temperatura ambiente, são altamente viscosas;
A altas temperaturas ou pH extremos o DNA sofre desnaturação, isto porque ocorre ruptura das pontes de hidrogênio entre os pares de bases. Esta desnaturação faz com que diminua a viscosidade da solução de DNA;
Durante a desnaturação nenhuma ligação covalente é desfeita, ficando portanto as duas fitas de DNA separadas;
Quando o pH e a temperatura voltam ao normal, as duas fitas de DNA espontaneamente se enrolam formando novamente o DNA dupla fita. Este processo envolve duas etapas:
A primeira é mais lenta pois envolve o encontro casual das fitas complementares de DNA, formando um curto segmento de dupla hélice.
A segunda etapa é mais rápida e envolve a formação das pontes de hidrogênio entre as bases complementares reconstruindo a conformação tridimensional.
O RNA (ácido ribonucléico) tem a sua molécula formada por uma única cadeia de nucleotídeos (fita simples), portanto o número de bases púricas é, em geral, diferente do número de bases pirimídicas. Não existe timina na molécula de RNA. Existem três tipos de RNA relacionados diretamente com o processo de síntese de proteínas:
- RNA mensageiro
- RNA transportador
- RNA ribossômico
Duplicação do DNA
Replicação do DNA é o processo de auto-duplicação do material genético mantendo assim o padrão de herança ao longo das gerações.
Duas teorias tentaram explicar a replicação do DNA:
Teoria conservativa: Cada fita do DNA sofre duplicação e as fitas formadas sofrem pareamento resultando num novo DNA dupla fita, sem a participação das fitas "parentais" (fita nova com fita nova formam uma dupla hélice e fita velha com fita velha formam a outra dupla fita).
Teoria semi-conservativa: a autoduplicação inicia-se com o rompimento das ligações de hidrogênio que unem as bases nitrogenadas. As duas fitas começam a se afastar e nucleotídeos de DNA livres, que já se encontram no interior da célula, se encaixam nas duas fitas que se afastaram. Esse encaixe só é possível a partir do critério de complementação de bases nitrogenadas e pela ação catalítica de uma enzima denominada DNA-polimerase. Pelo critério de complementação de bases nitrogenadas, adenina se liga à timina (e vice versa), assim como citosina se liga à guanina (e vice-versa). O resultado desse processo é a formação de duas novas moléculas de DNA idênticas entre si e à molécula mãe. Os dois filamentos da molécula de DNA começam a se separar e novos nucleotídeos do tipo adequado, carregando grupos fosfatos muito ricos em energia, fixam-se nos lugares convenientes. Diz-se que cada filamento de DNA funciona como molde para formação de duas novas moléculas. Os dois filamentos originais do DNA se separam completamente e novos nucleotídeos vão sendo acrescentados. Os novos parceiros das bases púricas e pirimídicas estabelecem as ligações de hidrogênio entre os pares e cada nucleotídeo fica ligado pelo grupo fosfato ao nucleotídeo seguinte. Completa-se, assim, o processo de duplicação do DNA. Cada molécula nova de ácido nucléico é exatamente igual à original. Em cada nova molécula de DNA formada, há um filamento antigo que pertencia à molécula-mãe e um filamento novo formado através do processo de complementação de bases. Diz-se que a molécula de DNA apresenta uma autoduplicação semi-conservativa, já que cada molécula-filha conserva metada da molécula-mãe.
Além da capacidade de duplicação, o DNA também é responsável pela síntese de outro ácido nucléico muito importante para a célula: o ácido ribonucléico ou RNA. Chama-se transcrição o processo de formação de RNA a partir de DNA.
A transcrição inicia-se com o rompimento das ligações de hidrogênio que unem as bases nitrogenadas da molécula de DNA. Assim como na autoduplicação do DNA, a seqüência de bases nitrogenadas condiciona a formação da molécula de RNA. No entanto, na transcrição, apenas uma fita de molécula de DNA funciona como molde de modo que o RNA formado terá uma fita simples diferentemente da molécula de DNA que possui fita dupla.
Mutações Gênicas
Em 1941, os pesquisadores Beadle e Tatum, fazendo experiências com um tipo de bolor de pão, a Neurospora sp, observaram que nem sempre a autoduplicação do DNA ocorria de modo perfeito. O bolor crescia num meio de cultura contendo açúcar e diversos sais inorgânicos. Seus esporos eram submetidos a raios X e alguns deles passavam depois a produzir bolores com novas características. Por exemplo, alguns perdiam a capacidade de fabricar lisina e só conseguiam sobreviver quando aquele aminoácido era acrescentado ao meio de cultura. Essa incapacidade foi relaciona com a falta de uma enzima necessária para a síntese de lisina. Concluíram, então, que os raios X teriam danificado a formação daquele tipo específico de enzima.
Como a produção de uma enzima depende de informação codificada no DNA, a conclusão daqueles pesquisadores ficou conhecida como a relação "um gene - uma enzima". Atualmente, fala-se, com maior precisão, na relação "um gene - uma cadeia polipeptídica".
A modificação genética induzida através dos raios X é conhecida como mutação. As mutações podem resultar de uma alteração na seqüência dos nucleotídeos, ou de quebras e mudanças de posição dos fragmentos da molécula de DNA. Portanto são mutações as alterações numéricas e estruturais dos cromossomos, que persistem através das autoduplicações, transmitindo-se às células-filhas. Existem também erros que ocorrem no RNA, no momento das transcrições ou das traduções, e afetam somente a própria célula.
As mutações são produzidas por agentes mutagênicos, que compreendem principalmente vários tipos de radiação, dentre os quais os raios ultravioleta, os raios X e substâncias que interferem na autoduplicação do DNA ou na transcrição do RNAm, determinando erros nas seqüências dos nucleotídeos.
A lista das substâncias mutagênicas tem aumentado muito nos últimos anos, sendo bastante conhecidos o gás mostarda, o ácido nitroso, a bromouracila, o formaldeído, a nicotina. Vários tipos de câncer podem ser produzidos por alterações ocorridas nos ácido nucléicos; por isso os mesmos agentes mutagênicos podem ser também cancerígenos.
Síntese
O RNA (ácido ribonucléico) é o ácido nucléico formado a partir de um modelo de DNA.
O DNA não é molde direto da síntese de proteínas. Os moldes para síntese de proteínas são moléculas de RNA. Os vários tipos de RNA transcritos do DNA são responsáveis pela síntese de proteínas no citoplasma.
Existem três tipos de RNAs:
RNA mensageiro: Contêm a informação para a síntese de proteínas.
Os RNAm representam cerca de 4% do RNA celular total.
RNA transportador: Transporta aminoácidos para que ocorra a síntese de proteínas.
Os RNAt correspondem a 10% do RNA total da célula, e são denominados de adaptadores.
RNA ribossômico: Componentes da maquinaria de síntese de proteínas presente nos ribossomos.
Os RNAr correspondem a 85 % do RNA total da célula, e são encontrados nos ribossomos (local onde ocorre a síntese protéica).
Todas as formas de RNA são sintetizadas por enzimas (RNA polimerases) que obtêm informações em moldes de DNA.
O RNAr é produzido pelo DNA da região organizadora do nucléolo e, associado a proteínas, vai constituir os nucléolos. Depois passa ao citoplasma para formar os ribossomos.
O RNAm leva para o citoplasma as informações para a síntese das proteínas. Existe um tipo de RNAm para cada tipo de cadeia polipeptídica, que vai constituir uma proteína. O RNAm transporta a informação genética na forma de códons, copiados do DNA; um códon consiste em uma seqüência de três nucleotídeos.
O RNAt move-se do núcleo para o citoplasma, onde se liga a aminoácidos, e deslocando-se até os ribossomos. Apresenta regiões com pareamento de bases, que lhe conferem um aspecto de "trevo de três folhas".
Cada molécula de RNAt apresenta uma extremidade que se liga a diferentes tipos de aminoácidos e uma região com uma seqüência de três nucleotídeos, o anticódon, que pode parear com um dos códons do RNAm.
Biossíntese das proteínas
Os vários tipos de RNA, transcritos do DNA, que vão participar da síntese de proteínas, deslocam-se do núcleo para o citoplasma.
O RNAr, inicialmente armazenado nos nucléolos, passa para o citoplasma e , associado a proteínas, forma os ribossomos, que se prendem às membranas do retículo endoplasmático. Os ribossomos dispõem-se enfileirados, constituindo os polirribossomos ou polissomos, junto dos quais as proteínas vão ser sintetizadas. Cada polissomo é também denominado unidade de tradução, pois permite a síntese de um tipo de polipeptídeo.
O RNAm move-se para o citoplasma e vai ligar-se aos polirribossomos. Ele é formado por uma seqüência de trios de nucleotídeos, que correspondem a diferentes aminoácidos. Cada trio é um códon, e os diferentes códons determinam o tipo, o número e a posição dos aminoácidos na cadeia polipeptídica.
O RNAt desloca-se para o citoplasma, onde se liga a aminoácidos, deslocando-os até pontos de síntese protéica. Numa determinada região, a molécula de RNAt apresenta um trio especial de nucleotídeos, o anticódon, correspondente a um códon do RNAm. Uma das extremidades da molécula de RNAt só se liga a um tipo de aminoácido.