11º tema - 2008 - nucleotidos e ▌cidos nucleicos_nucleotidos e acidos nucleicos

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11 - NUCLEÓTIDOS Nucleótidos e nucleósidos: Estrutura, composição geral, ligação fosfodiéster, tipos mais comuns; Funções específicas dos nucleótidos (com exemplos): informação, transporte, cofactores/coenzimas, regulação metabólica) Cada nucleótido é constituído por 3 componentes: uma pentose, uma base azotada e um grupo fosfato. Uma molécula que não tenha o grupo fosfato, isto é, que seja constituída apenas pelo açúcar e pela base azotada, é chamada nucleósido. As pentoses são açúcares com 5 carbonos, convencionalmente numerados de 1’ a 5’. Há 2 tipos de pentoses: a desoxirribose (em que o carbono 2’ se encontra ligado a 2 átomos de hidrogénio) e a ribose (no mesmo carbono um dos átomos H é substituído por um grupo hidroxilo). É a ocorrência destas que dá o nome ao nucleótido, respectivamente, desoxirribonucleótido ou ribonucleótido. Ambos os tipos de pentose estão na sua forma β-furanose, um anel aromático resultante de 5 carbonos, fechado, em que o grupo hidroxilo da ligação hemiacetal aponta para cima. As bases azotadas estão organizadas em 2 grupos: as purinas, formadas por um anel aromático duplo, e as pirimidinas, formadas por um anel simples. As purinas principais são a adenina (A) e a guanina (G). E as pirimidinas mais conhecidas e frequentes são a citosina (C), a timina (T) (exclusiva dos desoxirribonucleótidos) e

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Page 1: 11º Tema - 2008 - Nucleotidos e ▌cidos Nucleicos_nucleotidos e acidos nucleicos

11 - NUCLEÓTIDOS

Nucleótidos e nucleósidos: Estrutura, composição geral, ligação fosfodiéster, tipos mais

comuns; Funções específicas dos nucleótidos (com exemplos): informação, transporte,

cofactores/coenzimas, regulação metabólica)

Cada nucleótido é constituído por 3 componentes: uma pentose, uma base azotada e

um grupo fosfato. Uma molécula que não tenha o grupo fosfato, isto é, que seja constituída

apenas pelo açúcar e pela base azotada, é chamada nucleósido.

As pentoses são açúcares com 5 carbonos, convencionalmente numerados de 1’ a 5’.

Há 2 tipos de pentoses: a desoxirribose (em que o carbono 2’ se encontra ligado a 2

átomos de hidrogénio) e a ribose (no mesmo carbono um dos átomos H é substituído por um

grupo hidroxilo). É a ocorrência destas que dá o nome ao nucleótido, respectivamente,

desoxirribonucleótido ou ribonucleótido. Ambos os tipos de pentose estão na sua forma β-

furanose, um anel aromático resultante de 5 carbonos, fechado, em que o grupo hidroxilo da

ligação hemiacetal aponta para cima.

As bases azotadas estão organizadas em 2 grupos: as purinas, formadas por um anel

aromático duplo, e as pirimidinas, formadas por um anel simples. As purinas principais são a

adenina (A) e a guanina (G). E as pirimidinas mais conhecidas e frequentes são a citosina (C), a

timina (T) (exclusiva dos desoxirribonucleótidos) e o uracilo (U) (exclusivo dos ribonucleótidos).

Apesar disso, podem ocorrer ocasionalmente outras bases azotadas minoritárias ou mesmo

trocas entre desoxi e ribonucleótidos a nível da timina e do uracilo.

A ligação que se estabelece entre o açúcar e a base azotada chama-se ligação N-β-

glicosídica e é estabelecida pela remoção de um grupo hidroxilo da pentose e um hidrogénio da

base, libertando-se uma molécula de água e formando-se uma ligação covalente. Esta ligação

tem a designação de N-β-glicosídica, porque é a conexão de um átomo de azoto, N, com um

glícido na forma β. O grupo fosfato, por sua vez, está ligado ao carbono 5’ da pentose (por vezes

ao 3’) através de uma ligação O-glicósida (entre um átomo de oxigénio e o glícido).

Os nucleótidos podem, para além disso, estabelecer ligações entre si. Quando são até

cerca de 50 unidades básicas formam uma cadeia que se designa oligonucleótido. Quando a

cadeia é maior, polinucleótidos. As ligações fosfodiéster são as responsáveis pela formação de

tais cadeias, nas quais o grupo fosfato ligado ao carbono 5’ se liga ao grupo hidroxilo do carbono

3’ do nucleótido seguinte. A sequência tem sempre a direcção de crescimento 5’-3’. A cadeia

assim formada é dotada de uma polaridade específica e de 2 fins distintos: um 5’ e outro 3’.

Esta sequência nucleotídica constitui, então, uma cadeia cujo esqueleto é uma

alternância de grupos fosfatos e pentoses, ao qual se ligam grupos laterais, as bases azotadas.

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Como o açúcar tem grupos hidroxilos livres, estes vão criar pontes de hidrogénio com moléculas

de água. Também o grupo fosfato, como se apresenta ionizado e negativamente carregado em

pH perto de 7, estabelece interacções iónicas com outras moléculas. Estes factos tornam o

esqueleto da cadeia hidrofílico.

As bases azotadas constituintes dos nucleótidos são, também elas, dotadas de

propriedades químicas que consequentemente lhes conferem algumas características

especificas a nível estrutural e funcional. Como são hidrofóbicas a pH neutro, aumentando a

afinidade com a água em pH mais ácido ou básico, as bases de um nucleótido têm tendência a

estabelecer ligações de Van der Waals ou interacções dipolo-dipolo entre si, para se protegerem

da água do meio circundante. Para além disso, os átomos de azoto, bastante electronegativos,

formam entre bases, pontes de hidrogénio, estabelecendo-se uma grande complementaridade

entre certos pares de bases (C-G e A-T(U)).

São estas características dos nucleótidos que vão levar à formação dos ácidos nucleicos

como os conhecemos e lhes vão permitir desempenhas as funções a que estão destinados.

Funções específicas dos nucleótidos:

• Subunidades dos ácidos nucleicos;

• Informação genética;

• Transporte de energia química;

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• Nucleótidos de adenina são constituintes de cofactores;

• Alguns são reguladores metabólicos;

• Informação genética.

Transporte de energia química:

Os nucleósidos podem ser mono-, di- ou trifosfato, de acordo com o número de grupos

fosfato que estão ligados. Cada um desses grupos são designados por α, β, e γ, começando no

fosfato que se encontra ligado à pentose.

UTP, GTP e CTP são fontes de energia para diversas reacções, mas o nucleótido mais utilizado

pela célula para fornecer energia química é o ATP. A fosfohidrólise do ATP tem um papel

muito importante para diversas biossínteses com variação da energia livre de Gibbs positiva,

uma vez que, como a hidrólise de ligações fosfoanidrido (ligações entre os grupos fosfato β, γ e

α, β) liberta cerca de 30 kJ/mol , o equilíbrio final dessas reacções é alterado, favorecendo a

formação dos produtos.

Nucleótidos de adenina são constituintes de cofactores:

Os nucleótidos de adenina fazem parte da estrutura de uma grande variedade de cofactores com

diversas funções e, embora não participem directamente na função primária do cofactor, a sua

remoção diminui consideravelmente a acção deste. Tendo como exemplo a acetoacetilCoA

(coenzima A derivada do acetoacetato), a remoção do nucleótido de adenina desta coenzima

reduz na ordem de 106 a reactividade dessa coenzima como substrato de uma enzima do

metabolismo dos lípidos, a β-cetoacil-CoA transferase. Outros exemplos são o NAD e FAD.

Regulação metabólica:

Os nucleótidos podem também ser produzidos como mensageiros secundários nas

células, provocando alterações no interior destas, em resposta a sinais químicos externos

(mensageiros primários). O mais comum é o AMPcíclico (cAMP), que tem funções reguladoras

em todas as células, excepto nas vegetais. Outros nucleótidos reguladores são: o cGMP e o

ppGpp (produzido em bactérias, inibe a síntese de tRNA e rRNA, como resposta a uma

diminuição de síntese proteica provocada pela falta de aminoácidos disponíveis).

Informação genética:

A informação genética está codificada na sequência linear de quatro

desoxirribonucleótidos no ADN. A informação está agrupada em unidades codificantes (há

zonas não codificantes no ADN), denominadas de codões. Cada codão é uma sequência de três

nucleótidos que codifica um aminoácido. O RNA é o responsável pela expressão da informação

genética, actuando como intermediário, uma vez que usa a informação codificada no ADN de

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forma a especificar a sequência de aminoácidos de uma determinada proteína. Portanto a

estrutura de cada proteína, e consequentemente de todas as biomoléculas e componentes

celulares, é produto da informação contida na sequência de nucleótidos dos ácidos nucleicos. A

capacidade de armazenar e transmitir a informação genética aos descendentes é uma condição

fundamental da vida.

1. Ácidos Nucleicos

DNA

Um importante trabalho para a descoberta da estrutura do DNA foi o de Erwin Chargaff (década de 40).

Descobriu que os 4 tipos de nucleótidos de DNA ocorrem em percentagens diferentes em moléculas de DNA

de organismos diferentes.

Através disto foi possível concluir que:

1) A composição em bases de DNA geralmente varia de uma espécie para outra.

2) Amostras de DNA isoladas de diferentes tecidos de um dado organismo têm a mesma composição

de nucleótidos.

3) A composição de bases do DNA numa espécie não muda com a idade, estado nutricional ou

ambiente de um dado organismo.

4) Em todas as moléculas de DNA celular, independentemente da espécie, o número de resíduos de

adenina é igual ao número de resíduos de timina e o nº de resíduos de citosina é igual ao número de resíduos

de guanina. Assim, o número de resíduos de purinas é igual ao número de resíduos de pirimidinas: A + T = G

+ C.

Estas relações quantitativas, também chamadas as leis de Chargaff, foram a chave para o

estabelecimento da estrutura tridimensional do DNA e abriram portas para o conhecimento de como a

informação genética está codificada no DNA (e como é processado essa informação).

Rosalind Franklin e Maurice Wilkins utilizaram difracção de raios-X para analisar fibras de DNA. Eles

mostraram (década de 50) que o DNA produz um padrão característico de difracção de raios-X. A partir deste

padrão supôs-se que as moléculas de DNA seriam helicoidais com duas periodicidades ao longo do seu eixo,

uma primária de 3,4 Å e uma secundária de 34 Å.

Em 1953 Watson e Crick propuseram um modelo tridimensional da estrutura do DNA, que tinha em

conta todos os dados recolhidos até à altura (relação A-T e C-G). Este modelo consistia numa dupla hélice, de

mão direita, de cadeias pulinucleotídicas. As partes hidrofílicas das desoxirriboses e grupos fosfato estão

voltados para fora, enquanto que as bases azotadas encontram-se no interior da hélice, com os seus anéis

hidrofóbicos de estrutura quase planar, numa posição perpendicular ao eixo. É de referir que as desoxirriboses

estão na conformação endo C-2’. Cada base do nucleótido emparelha no mesmo plano com a base

complementar na cadeia oposta, estabelecendo ligações de hidrogénio: dupla entre adenina e timina e tripla

entre citosina e guanina, daí que seja tanto mais difícil separar cadeias de DNA, quanto maior for a %GC.

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Trabalhos com DNA polimerases mostraram que as duas cadeias são anti-paralelas, isto é, têm

orientações opostas.

Para ter em conta as periodicidades encontradas nos padrões de difracção de fibras de DNA, Watson e

Crick observaram que as bases “empilhadas” verticalmente no interior da dupla hélice estão a 3,4 Å de

distância. A periodicidade secundária encontrada anteriormente (de 34 Å) foi explicada pela presença de cerca

de 10 pares de bases em cada volta completa da dupla hélice. Nota: em solução aquosa, a estrutura altera-se

ligeiramente, havendo 10,5 pares de bases, por cada volta da hélice, aumentando a distância para 36 Å.

A dupla hélice é mantida por dois tipos de forças: as ligações de hidrogénio, entre bases

complementares, e interacções hidrofóbicas entre bases sobrepostas. A complementaridade entre as cadeias de

DNA atribui-se à ligação de hidrogénio entre os pares de bases. As outras interacções, muito menos

específicas do que as ligações de hidrogénio, fazem a maior contribuição para a estabilidade da molécula.

É uma molécula bastante flexível, podendo haver rotação considerável à volta de algumas ligações

pentose-fosfato. Podem ocorrer flutuações térmicas que causam dobras, estiramentos e desemparelhamento

das cadeias complementares.

Ao nível do DNA celular encontramos alguns desvios em relação ao modelo de Watson e Crick, que

desempenham importantes funções no metabolismo do DNA. Estas variações estruturais geralmente não

afectam as propriedades chave definidas por Watson e Crick: complementaridade entre cadeias antiparalelas e

as requeridas ligações A-T e G-C.

As variações na estrutura do DNA são o reflexo de três factores:

1) Diferentes conformações possíveis da desoxiribose.

2) Rotação livre em volta da ligação C-1’- N – glicosídica.

3) Rotações nas ligações da desoxirribose com o grupo fosfato.

A estrutura de Watson e Crick é também chamada DNA forma B (ou B-DNA) e é a forma mais estável

existente para a molécula de DNA. Existem no entanto duas variantes bem caracterizadas em estruturas

cristalinas, denominadas formas A e Z. A forma A ainda tem a conformação de hélice de mão direita, mas é

mais larga e tem maior número de pares de bases por volta da hélice do que da forma B e as bases azotadas

emparelham num plano com cerca de 20º de inclinação. A forma Z tem já a conformação de hélice de mão

esquerda, sendo mais estreita do que a forma B e tendo maior número de pares de bases por volta da hélice.

Não se sabe ao certo se a forma A ocorre ou não nas células, mas existem provas da existência da forma Z em

tanto procariotas como eucariotas, e pensa-se que pode ter um papel importante na regulação da expressão de

alguns genes, ou na recombinação genética.

Já foram também detectadas variações de estrutura dependentes da sequência nucleotídica, que podem

afectar a função e o metabolismo de segmentos de DNA na sua vizinhança. Por exemplo, ocorrem dobras na

hélice de DNA, sempre que 4 ou mais resíduos adenosina aparecem seguidos numa cadeia.

Outro tipo de sequências são as sequências palindrómicas. Palindroma é, basicamente, uma palavra ou

frase que se lê da mesma maneira da esquerda para a direita ou vice-versa. O termo aplica-se a regiões no

DNA com sequências repetidas na ordem inversa na cadeia complementar. Desta forma, surgem sequências

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auto-complementares, dentro de cada cadeia, e portanto têm a capacidade de gerar formas de gancho de

cabelo (quando o DNA está sob a forma de cadeia simples) ou forma cruciforme. Quando a repetição

invertida ocorre na mm cadeia individual de DNA, a sequência tem o nome de repetição espelhada, não dando

origem a nenhuma conformação especifica.

Outro aspecto a focar é que o DNA pode ocorrer em cadeias triplas ou quádruplas. Quanto a cadeias

triplas, refere-se que nucleótidos ligados segundo uma ligação normal de Watson e Crick, podem formar

ligações de hidrogénio adicionais, sendo que os átomos que participam nessas ligações adicionais têm o nome

de posições de Hoogsteen. O par adicional é chamado emparelhamento de Hoogsteen. Assim, forma-se um

triplex de DNA. Este tipo de estrutura é mais estáveis a pH baixo, pois envolve muitas vezes a ligação de

resíduos de nucleótidos protonados. Quanto a cadeias quádruplas, ocorrem apenas para moléculas de DNA

com uma percentagem muito elevada de nucleótidos de guanina.

Uma estrutura rara que ocorre no DNA é chamada a H-DNA e é encontrada apenas em longas

sequências polipúricas ou polipirimidicas, causando uma dobra acentuada na estrutura, fazendo com que uma

porção da cadeia exista sob cadeia tripla, em que duas das três cadeias contêm apenas purinas (ou pirimidinas)

e a outra contem apenas pirimidinas (ou purinas).

RNA

A molécula de RNA tem uma muito maior variedade de funções e conformações do que o DNA,

fazendo com que não exista uma estrutura secundária que sirva de base, tal como a dupla hélice era para o

DNA. Dos diferentes tipos de RNA destacamos: RNA mensageiro, que transcreve a informação genética do

DNA e a transporta para o citoplasma; RNA ribossomal, que é parte integrante do esqueleto dos ribossomas,

que são o local de síntese proteica; RNA de transferência, que funciona como descodificador do código

genético, funcionando como ponte entre informação genética e síntese proteica; RNAs especiais tais como as

ribozimas, catalizando reacções.

O RNA ao ser transcrito existe sempre em cadeia simples, adquirindo uma estrutura helicoidal de mão

direita, sempre que não existem sequências auto-complementares ao longo da cadeia polinucleotídica. No

caso de existirem essas sequências, ocorre a formação dos tais ganchos de cabelo falados anteriormente, e no

caso de haver falhas na complementaridade de base, podem ocorrer arcos internos, protuberâncias. É de

referir que as estruturas ganchos de cabelo não são estruturas planares, adquirindo também uma estrutura

helicoidal de mão direita.