quarta-feira, 17 de novembro de 2010

História: Descoberta do DNA

           A descoberta do DNA ocorreu em 1869 e foi feita pelo bioquímico alemão Johann Friedrich Miescher (1844 – 1895). Miescher buscava determinar os componentes químicos do núcleo celular e usava os glóbulos brancos contidos no pus para suas pesquisas. Os glóbulos brancos eram um bom material pois são células que apresentam núcleos grandes e fáceis de serem isolados do citoplasma. Além disso, o pús era muito fácil de se conseguir na época em ataduras usadas em ferimentos.
      
Analisando os núcleos, Miescher descobriu a presença de um composto de natureza ácida que era desconhecido até o momento. Esse composto era rico em fósforo e em nitrogênio, era desprovido de enxofre e resistente à ação da pepsina (enzima proteolítica). Esse composto, que aparentemente era constituído de moléculas grandes, foi denominado, por Miescher, nucleína. Essa substância foi isolada também da cicatrícula da gema do ovo de galinha e de espermatozóides de salmão.


          Em 1880, um outro pesquisador alemão, Albrecht Kossel (1883 – 1927), demonstrou que a nucleína continha bases nitrogenadas em sua estrutura, explicando o fato da nucleína ser rica em nitrogênio. Nove anos depois, Richard Altmann(1852 – 1900), que era aluno de Miescher, obteve a nucleína com alto grau de pureza, comprovando sua natureza ácida e dando-lhe, então, o nome de ácido nucléico.
A partir daí, o material mais utilizado para estudo e obtenção do ácido nucléico passou a ser o timo de bezerro, cujo tecido apresenta células com núcleos grandes. Foi descoberto que a degradação do ácido nucléico do timo, chamado de ácido timonucléico, liberava quatro tipos de bases nitrogenadas:
- dois tipos de bases púricas: adenina e guanina
- dois tipos de bases pirimídicas: citosina e timina


          Foi demonstrado também que um outro produto da degradação do ácido nucléico era um glicídio com 5 átomos de carbono, uma pentose, no caso uma desoxirribose. O fósforo estava presente na forma de um derivado do ácido fosfórico, fosfato. Tinha-se até o momento que o ácido nucléico era composto de bases nitrogenadas (púricas e pirimídicas), de um glicídio (pentose) e de fosfato.
Em 1890, foi descoberto em levedura (fermento) um outro tipo de ácido nucléico, que possuía uracila ao invés de timina e ribose ao invés da desoxirribose. Dessa maneira, foram caracterizados dois tipos de ácidos nucléicos, de acordo com o glicídio que possuíam:

- ácido ribonucléico (RNA)
- ácido desoxirribonucléico (DNA)


          Em 1912, Phoebus Levine(1869 – 1940) e Walter Jacobs (1883 – 1967) concluíram que o componente básico dos ácidos nucléicos era uma estrutura composta por uma unidade que se constituía numa base nitrogenada ligada a uma pentose, e esta por sua vez, ligada a um fosfato. Esta unidade foi denominada de nucleotídeo.
Um ácido nucléico seria então uma molécula composta por vários nucleotídeos unidos entre si, ou seja, um polinucleotídeo.
Os estudos dos ácidos nucléicos continuaram por muitos anos sem que os cientistas soubessem de sua importância como material hereditário, descoberta que só foi realizada muitos anos depois.

        

terça-feira, 16 de novembro de 2010

Ácidos Nucléicos

            
           Os ácidos nucléicos são macromoléculas compostas de cadeia de polinucleotídeos e responsáveis pelo controle de processos vitais nos seres vivos.

O que são nucleotídeos?

           Os nucleotídeos são o componente básico dos ácidos nucléicos e cada nucleotídeo por sua vez, é constituído por um grupo fosfato (íon derivado de ácido fosfórico) ligado a uma pentose (monossacarídeo com cinco átomos de carbono), que se liga a uma base nitrogenada (substâncias constituídas por moléculas de cadeia fechadas, em forma de um ou de dois anéis de átomos de carbono e de nitrogênio). A pentose, nos ácidos nucléicos, pode ser de dois tipos: ribose e desoxirribose e as bases nitrogenadas são de quatro tipos no DNA: adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G).  Adenina e guanina são classificadas como purinas, pois elas são moléculas compostas por dois anéis. Citosina e timina são classificadas como pirimidinas, pois elas são moléculas formadas por um único anel. Uma purina liga-se a uma pirimidina no DNA para formar um par de bases. A adenina liga-se unicamente com a timina (A – T), e a citosina liga-se unicamente com a guanina (C – G). Essa ligação é feita por meio de fracas pontes de hidrogêneo, e essas pontes são as responsáveis pela manutenção da estrutura de dupla hélice do DNA.

DNA e RNA

Ácido desoxirribonucléico (DNA)

           O DNA é uma molécula constituída por dois filamentos (cadeias de nucleotídeos) enrolados, um ao redor do outro, na forma de uma hélice dupla.  Os nucleotídeos de um mesmo filamento ficam unidos por uma ligação que se estabelece entre a pentose de um nucleotídeo e o fosfato do nucleotídeo vizinho. E os filamentos, também chamados de fitas, estão ligados por pontes de hidrogêneo situadas entre uma base púrica e uma base pirimídica. O formato da molécula do DNA é um fator essencial na replicação do DNA durante a divisão celular cada hélice serve de molde para outra nova.
                                              
A duplicação do DNA

           O DNA tem a capacidade de autoduplicação (ou replicação), de forma a originar cópias exatas de si mesmo, o que é fundamental para a vida, pois a autoduplicação permite que, após uma divisão celular, as células-filha recebam as mesmas instruções da célula-mãe e, portanto, achem-se igualmente “aparelhadas” para o desempenho de suas atividades metabólicas.
      
       Na autoduplicação do DNA ocorrem os seguintes processos:

·        Rompimento de pontes de hidrogêneo que ligam as bases nitrogenadas, separando os dois filamentos que compõem a molécula de DNA;
·        Encaixe de nucleotídeos livres (já existentes na célula) nos nucleotídeos dos filamentos que se separam do DNA; esse encaixe ocorre quando a adenina se liga à timina (e vice-versa) e a citosina se liga à guanina (e vice-versa);
·         Formação de duas moléculas novas de DNA, após a complementação dos filamentos do DNA original pelos nucleotídeos novos.

Ácido rinonucléico (RNA)


           As moléculas de RNA, como as de DNA, são constituídas por nucleotídeos ligados em sequência.
           A principal diferença entre esses dois ácidos nucléicos é que o glicídio presente no RNA é a ribose, e não a desoxirribose, como ocorre no DNA. Além disso, no RNA não está presente a base timina, havendo em seu lugar a base uracila. Por apresentarem ribose, os nucleotídeos do RNA são denominados ribonucleotídeos.
                  




Tradução

           Na tradução o RNA orienta a síntese protéica, “indicando” não apenas os tipos de aminoácidos que serão utilizados, mas também a posição que eles deverão ocupar na molécula protéica produzida. A tradução do código químico do RNAm ocorre nos ribossomos. Esses grânulos “percorrem” o RNAm. À medida que os RNAt, se “encaixam” nos RNAm, a síntese protéica vai se processando. O “encaixe” do RNAt no RNAm só ocorre se as bases do códon do RNAm e as do anticódon do RNAt  forem complementares. Assim, um RNAt com anticódon ACU liga-se apenas ao códon UGA. Se um determinado trecho da fita-molde do DNA for formado pelos códons AAT, TTG, GAG, CGT, AAA, o RNAm formado será UUA, AAC, CUC, GCA e UUU.
           No deslizamento de um ribossomo ao longo da molécula do RNAm, , ele prende-se à extremidade do RNAm, abrangendo dois códons e conferindo apoio para o RNAt. O primeiro RNAt, de anticódon AAU, liga-se ao primeiro códon do RNAm. Em seguida, o segundo RNAt, de anticódon UUG, liga-se ao segundo códon do RNAm. Entre os dois aminoácidos transportados se estabelece uma ligação peptídica. O primeiro RNAt desliga-se do RNAm e do aminoácido que continha e vai à procura de um novo aminoácido. Então, o ribossomo desloca-se para o terceiro códon do RNAm (CUC) e um terceiro RNAt, de anticódon GAG, encaixa-se no RNAm.
           O segundo RNAt, desliga-se do RNAm e do aminoácido que continha, e o ribossomo desliza para o quarto códon (GCA). Um quarto RNAt, de  anticódon CGU, liga-se ao RNAm. E assim, sucessivamente, o ribossomo desliza pelo RNAm, fazendo a “leitura” do código químico do RNA. No final do processo, a molécula protéica está formada.
           Muitos ribossomos podem deslizar ao longo do RNAm e, consequentemente, condicionar a síntese de várias cadeias polipeptídicas. Assim, na molécula de RNAm pode-se descrever a presença de uma verdadeira “fileira” de ribossomos em processo de deslizamento.


Transcrição

              A transcrição consiste na síntese de moléculas de RNA mensageiro (mRNA), RNA ribossomal (rRNA) e RNA de transferência (tRNA), a partir da molécula de DNA. Os mecanismos subjacentes a este processo possuem um carácter universal, consistindo na polimerização orientada e sequencial dos nucleótidos trifosfato de ribose (ATP, GTP, CTP e UTP), efectuada pelas RNA polimerases, e usando como molde as sequências nucleótidicas das cadeias de DNA.
           Nas células eucarióticas existem quatro RNA polimerases, uma para cada tipo de RNA a sintetizar: polimerase I (rRNA), II (mRNA), e III (tRNA e snRNA - pequenas RNA nucleares) e IV (transcrição dos genes do DNA mitocondrial). O processo de transcrição é efectuado em três etapas: iniciação, elongação e terminação das cadeias polinucleotídicas de RNA sintetizado.
           No que se refere à síntese de mRNA, a RNA polimerase II liga-se ao DNA por reconhecimento de sequências específicas, designadas promotoras, localizadas no DNA a montante do local de iniciação da transcrição. Nestas regiões, ocorrem interacções entre a RNA polimerase e determinadas proteínas reguladoras (factores de regulação). Após ligação, a cadeia dupla helicoidal de DNA sofre desenrolamento e desnaturação, possibilitando deste modo a formação de duas cadeias simples de DNA, uma das quais servirá de molde para a síntese do mRNA. De seguida, os nucleótidos percursores livres, existentes no nucleoplasma, são ligados entre si de forma sequencial pela acção da RNA polimerase II e por complementaridade com a sequência nucleotídica da cadeia simples de DNA molde. O processo termina quando a enzima RNA polimerase II reconhece uma sequência de terminação específica.
             Em eucariotas, o mRNA é sintetizado numa forma “imatura”, o hnRNA (RNA nuclear heterogéneo), o qual posteriormente é sujeito no núcleo da célula a um processamento que inclui:
  1. modificação da extremidade 5’ pela adição de um nucleósido alterado (7 metilguanosina, terminal cap);
  2. adição na extremidade 3’ do transcrito de uma cauda de adeninas (poliadenilação);
  3. remoção das regiões não codificantes (intrões) do mRNA percursor e colagem das regiões codificantes, exões (splicing).
Por fim, o mRNA processado é transportado do núcleo para o citoplasma da célula, onde ocorre a tradução da informação genética nele contida.
                As moléculas tRNA são sintetizadas no núcleo pela acção da RNA polimerase III e o seu processamento envolve a adição de uma sequência CCA no terminal 3’ de todas as moléculas. Ocorre ainda a metilação enzimática, através da S-adenosilmetionina, em aproximadamente 1% das unidades ribose. Por outro lado, é também efectuada a modificação de algumas bases que facilitam o estabelecimento da sua estrutura. O número de moléculas de tRNA é superior ao número de codões com significado (61), sendo nas células eucarióticas superior a 70. Todas as moléculas de tRNA podem assumir uma estrutura secundária em folha de trevo, apresentando 4 zonas de emparelhamento entre bases complementares e 3 dobras, uma das quais inclui um tripleto nucleotídico (anticodão), determinante na incorporação correcta do aminoácido na proteína.


                Na síntese do rRNA, tanto as células eucarióticas como procarióticas sintetizam moléculas percursoras de elevado peso molecular que posteriormente são processadas em RNAs ribossomais, através de clivagens endo- e exo-nucleolíticas.
                Existem 4 tipos de moléculas de RNA nas células eucarióticas: 28 S, 18 S, 5,8 S, e 5 S (as partículas subunitárias são geralmente designadas de acordo com o respectivo coeficiente de sedimentação). Destas moléculas, 3 (28 S, 18 S e 5,8 S) são sintetizadas no nucléolo, a partir de um transcrito primário (rDNA), que é dividido em três moléculas maduras de RNA. Estas moléculas combinadas com a molécula 5 S (sintetizada no núcleo) e com proteínas ribossomais constituem as subunidades ribossomais primárias 40 S e 60 S, dos ribossomas, as quais são transportadas para o citoplasma e assumem o seu papel na síntese de proteínas. As duas subunidades ribossomais são combinadas apenas na presença do mRNA e dos tRNAs activados (sob a forma de aminoacil-tRNA) e desempenham um papel fundamental na selecção dos sinais de início da tradução.
O ribossoma (estrutura não membranar) constitui a “fábrica” de síntese de proteínas, através da informação vinculada no RNA mensageiro (mRNA).

Código Genético

          Relação entre a seqüência de bases no  ADN e a seqüência correspondente de  aminoácidos, na  proteína, ele é equivalente a uma língua e é constituído basicamente por um dicionário de palavras, a tabela do código genético e por uma gramática, correspondente às propriedades do código, que estabelece como a mensagem codificada no material genético é traduzida em uma sequência de aminoácidos na cadeia polipeptídica.
           O código genético forma os modelos hereditários dos seres vivos. É nele que está toda a   informação que rege a seqüência dos aminoácidos codificada pelo encadeamento de nucleotídeos. Estes são compostos de desoxirribose, fosfato e uma base orgânica, do tipo citosina, adenina, guanina ou timina.
                Na cadeia  polinucleotídica de ADN, um conjunto de 3 nucleótidos corresponde a um aminoácido: são os tripletos. Mas porquê 3 nucleótidos? Sabemos de antemão que existem 20   aminoácidos diferentes sendo, por isso, de esperar que existam pelo menos 20 combinações de nucleótidos diferentes para que cada combinação codifique um aminoácido diferente. Se supusermos que cada nucleótido codifica um aminoácido, facilmente compreendemos que tal seria impossível porque apenas existem 4 nucleótidos. Se escolhermos uma combinação de 2 nucleótidos obteriamos um conjunto de 16 combinações diferentes, ainda insuficiente para os 20 aminoácidos que a célula produz. Contudo, se supusermos que são necessárias combinações de 3 nucleótidos de ADN para codificar um aminoácido, obtemos um universo de 64 combinações possíveis; mais do que o suficiente para os 20 aminoácidos existentes.
                Esta hipótese foi confirmada pelos trabalhos de  Marshall Nirenberg e  Har Gobind Khorana pelos quais ganharam ambos, em conjunto com  Robert W. Holley, o  Prémio Nobel da Fisiologia e Medicina em  1968.
                Através do processo de transcrição os tripletos de ADN são convertidos em codões de ARN. Estes codões são, à semelhança dos tripletos, conjuntos de 3 nucleótidos da cadeia de ARN mensageiro. Este migra para o citoplasma da célula, onde se liga a um ribossoma e a uma molécula de ARN transportador. Através do processo de tradução e utilizando a informação genética do ADN do indivíduo com a molécula de ARN, o ribossoma produz então os aminoácidos para formarem proteínas.
Codões de Finalização e de Iniciação
                No código genético existem codões de finalização (UAA,UGA e UAG) que indicam à célula que a sequência de aminoácidos destinada àquela proteína acaba ali. Existe ainda um codão de iniciação (AUG) que indica que a sequência de aminoácidos da proteína começa a ser codificada ali. Este codão (AUG) condifica o aminoácido Metionina (Met) de forma que todas as proteínas começam com o aminoácido Met.
Tabela de Código Genético
                Assim, facilmente percebemos a ligação entre os tripletos de ADN e os aminoácidos. Esta linguagem que os une é o que chamamos código genético. No final da década de 60 o código genético foi decifrado, e agora é geralmente representado em uma tabela que estabece a conexão entre as bases azotas dos codões de ARN e os aminoácidos formados.