Ácidos nucleicos importantes na natureza incluem ácido desoxirribonucléico, ou DNA, e ácido ribonucléico, ou RNA. Eles são chamados de ácidos porque são doadores de prótons (ou seja, átomo de hidrogênio) e, portanto, carregam uma carga negativa.
Quimicamente, DNA e RNA são polímeros, o que significa que consistem em unidades repetidas, geralmente um grande número delas. Essas unidades são chamadas nucleotídeos. Todos os nucleotídeos, por sua vez, incluem três porções químicas distintas: um açúcar pentose, um grupo fosfato e uma base nitrogenada.
O DNA difere do RNA de três maneiras principais. Uma é que o açúcar que compõe a "espinha dorsal" estrutural da molécula de ácido nucléico é a desoxirribose, enquanto no RNA é a ribose. Se você estiver familiarizado com a nomenclatura química, reconhecerá que esta é uma pequena diferença no esquema estrutural geral; ribose tem quatro grupos hidroxila (-OH), enquanto a desoxirribose tem três.
A segunda diferença é que, enquanto uma das quatro bases nitrogenadas encontradas no DNA é a timina, a base correspondente no RNA é o uracila. As bases nitrogenadas dos ácidos nucléicos são o que ditam as características finais destes moléculas, porque as porções de fosfato e açúcar não variam dentro ou entre as moléculas do mesmo tipo.
Finalmente, o DNA é de fita dupla, o que significa que consiste em duas longas cadeias de nucleotídeos quimicamente ligados por duas bases nitrogenadas. O DNA é enrolado em uma forma de "dupla hélice", como uma escada flexível torcida em direções opostas em ambas as extremidades.
Características Gerais do DNA
A desoxirribose consiste em um anel de cinco átomos, quatro carbonos e um oxigênio, com a forma de um pentágono ou talvez uma placa de beisebol. Como o carbono forma quatro ligações e o oxigênio duas, isso deixa oito locais de ligação livres nos quatro átomos de carbono, dois por carbono, um acima e um abaixo do anel. Três desses pontos são ocupados por grupos hidroxila (-OH) e cinco são reivindicados por átomos de hidrogênio.
Esta molécula de açúcar pode se ligar a uma das quatro bases nitrogenadas: adenina, citosina, guanina e timina. Adenina (A) e guanina (G) são purinas, enquanto citosina (C) e timina (T) são pirimidinas. As purinas são moléculas maiores do que as pirimidinas; porque as duas fitas de qualquer molécula de DNA completa são ligadas no meio por suas bases nitrogenadas, essas ligações deve formar-se entre uma purina e uma pirimidina para manter o tamanho total das duas bases na molécula aproximadamente constante. (Isso ajuda a referir-se a qualquer diagrama de ácidos nucléicos durante a leitura, como aqueles nas Referências.) Acontece que A se liga exclusivamente a T no DNA, enquanto C se liga exclusivamente a G.
A desoxirribose ligada a uma base nitrogenada é chamada de nucleosídeo. Quando um grupo fosfato é adicionado à desoxirribose no carbono a dois pontos de onde a base está ligada, um nucleotídeo completo é formado. As peculiaridades das respectivas cargas eletroquímicas nos vários átomos nos nucleotídeos são responsável pelo DNA de fita dupla formando naturalmente uma forma helicoidal, e as duas fitas de DNA na molécula são chamados fitas complementares.
Características Gerais do RNA
O açúcar pentose no RNA é a ribose, e não a desoxirribose. A ribose é idêntica à desoxirribose, exceto que a estrutura do anel está ligada a quatro grupos hidroxila (-OH) e quatro átomos de hidrogênio em vez de três e cinco, respectivamente. A porção ribose de um nucleotídeo está ligada a um grupo fosfato e uma base nitrogenada, como no DNA, com fosfatos alternados e açúcares formando a "espinha dorsal" do RNA. As bases, como observado acima, incluem A, C e G, mas a segunda pirimidina no RNA é uracila (U), em vez do que T.
Enquanto o DNA se preocupa apenas com o armazenamento de informações (um gene é simplesmente uma fita de DNA que codifica uma única proteína), diferentes tipos de RNA assumem funções diferentes. O RNA mensageiro, ou mRNA, é feito do DNA quando o DNA de fita dupla normalmente se divide em duas fitas simples para fins de transcrição. O mRNA resultante finalmente segue seu caminho em direção às partes das células onde ocorre a fabricação de proteínas, carregando as instruções para esse processo fornecidas pelo DNA. Um segundo tipo de RNA, o RNA de transferência (tRNA), participa da fabricação de proteínas. Isso ocorre em organelas celulares chamadas ribossomos, e os próprios ribossomos consistem principalmente em um terceiro tipo de RNA chamado, apropriadamente, RNA ribossômico (rRNA).
As Bases Nitrogênicas
As cinco bases nitrogenadas - adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T) no DNA e as três primeiras mais uracila (U) no RNA - são as porções de ácidos nucléicos que são responsáveis pela diversidade de produtos gênicos entre seres vivos coisas. As porções de açúcar e fosfato são essenciais porque fornecem estrutura e suporte, mas é nas bases que os códigos são gerados. Se você pensar em seu laptop como um ácido nucleico ou pelo menos uma cadeia de nucelotídeos, o hardware (por exemplo, unidades de disco, monitor tela, microprocessador) é análogo aos açúcares e fosfatos, enquanto qualquer software e aplicativos que você está executando são como nitrogênio bases, porque a variedade única de programas que você carregou em seu sistema efetivamente torna seu computador único "organismo."
Conforme descrito anteriormente, as bases nitrogenadas são classificadas como purinas (A e G) ou pirimidinas (C, T e U). A sempre emparelha em uma fita de DNA com T, e C sempre emparelha com G. É importante ressaltar que quando uma fita de DNA é usada como um modelo para a síntese de RNA (transcrição), em cada ponto ao longo da molécula de RNA em crescimento, o nucleotídeo de RNA que é criado a partir do nucleotídeo de DNA "pai" inclui a base que é aquela que a base "pai" sempre liga para. Isso é explorado em uma seção posterior.
As purinas consistem em um anel de nitrogênio e carbono de seis membros e um anel de nitrogênio e carbono de cinco membros, como um hexágono e um pentágono que compartilham um lado. A síntese de purinas envolve ajustes químicos de um açúcar ribose, seguido pela adição de amino (-NH2) grupos. As pirimidinas também têm um anel de nitrogênio e carbono de seis membros, como as purinas, mas não possuem o anel de nitrogênio e carbono de cinco membros das purinas. Portanto, as purinas têm uma massa molecular mais alta do que as pirimidinas.
A síntese de nucleotídeos contendo pirimidinas e a síntese de nucleotídeos contendo purinas ocorrem na ordem oposta em uma etapa crucial. Em pirimidinas, a porção de base é montada primeiro, e o resto da molécula é modificada em um nucleotídeo mais tarde. Nas purinas, a parte que finalmente se torna adenina ou guanina é modificada no final da formação de nucleotídeos.
Transcrição e tradução
A transcrição é a criação de uma fita de mRNA a partir de um molde de DNA, carregando as mesmas instruções (isto é, código genético) para fazer uma proteína específica que o molde faz. O processo ocorre no núcleo da célula, onde o DNA está localizado. Quando uma molécula de DNA de fita dupla se separa em fitas simples e a transcrição prossegue, o mRNA que é gerado a partir de um fita do par de DNA "descompactado" é idêntica ao DNA da outra fita de DNA descompactado, exceto que o mRNA contém U em vez de T. (Novamente, referir-se a um diagrama é útil; veja as referências.) O mRNA, uma vez completo, deixa o núcleo através dos poros da membrana nuclear. Depois que o mRNA deixa o núcleo, ele se liga a um ribossomo.
As enzimas então se ligam ao complexo ribossômico e auxiliam no processo de tradução. Tradução é a conversão da instrução do mRNA em proteínas. Isso ocorre quando os aminoácidos, as subunidades das proteínas, são gerados a partir de "códons" de três nucleotídeos na fita de mRNA. O processo também envolve rRNA (uma vez que a tradução ocorre nos ribossomos) e tRNA (que ajuda a reunir os aminoácidos).
De fitas de DNA a cromossomos
As fitas de DNA se agrupam em uma dupla hélice devido a uma confluência de fatores relacionados. Uma delas são as ligações de hidrogênio que naturalmente se encaixam nas diferentes partes da molécula. À medida que a hélice se forma, os pares de ligação das bases nitrogenadas são perpendiculares ao eixo da dupla hélice como um todo. Cada volta completa inclui um total de cerca de 10 pares base-base ligados. O que poderia ter sido chamado de "lados" do DNA, quando disposto como uma "escada", agora são chamados de "cadeias" da dupla hélice. Estes consistem quase inteiramente nas porções de ribose e fosfato dos nucleotídeos, com as bases no lado interno. Diz-se que a hélice tem sulcos maiores e menores que determinam sua forma estável.
Embora os cromossomos possam ser descritos como fitas muito longas de DNA, esta é uma simplificação grosseira. É verdade que um determinado cromossomo poderia, em teoria, ser desenrolado para revelar uma única molécula de DNA ininterrupta, mas isso falha em indicar o intrincado enrolamento, enrolamento e agrupamento que o DNA faz a caminho de formar um cromossoma. Um cromossomo apresenta milhões de pares de bases de DNA e, se todo o DNA fosse esticado sem quebrar a hélice, seu comprimento se estenderia de alguns milímetros a mais de um centímetro. Na realidade, o DNA é muito mais condensado. Proteínas chamadas histonas se formam a partir de quatro pares de subunidades de proteínas (oito subunidades ao todo). Este octâmero serve como uma espécie de carretel para a dupla hélice do DNA se enrolar duas vezes, como um fio. Essa estrutura, o octâmero mais o DNA que o envolve, é chamada de nucleossomo. Quando um cromossomo é parcialmente desenrolado em uma fita chamada cromátide, esses nucleossomos aparecem na microscopia como contas em uma fita. Mas acima do nível dos nucleossomos, ocorre mais compressão do material genético, embora o mecanismo preciso permaneça indefinido.
Ácidos nucléicos e o surgimento da vida
DNA, RNA e proteínas são considerados biopolímeros porque são sequências repetidas de informações e aminoácidos que estão associados a seres vivos ("bio" significa "vida"). Os biólogos moleculares hoje reconhecem que o DNA e o RNA, de alguma forma, são anteriores ao surgimento da vida em Terra, mas a partir de 2018, ninguém havia descoberto o caminho dos primeiros biopolímeros para uma vida simples coisas. Alguns teorizaram que o RNA, de alguma forma, foi a fonte original de todas essas coisas, incluindo o DNA. Esta é a "hipótese do mundo do RNA". No entanto, isso apresenta uma espécie de cenário do ovo e da galinha para os biólogos, porque moléculas de RNA suficientemente grandes aparentemente não poderiam ter surgido por qualquer outro meio que não transcrição. Em qualquer caso, os cientistas estão, com entusiasmo crescente, atualmente investigando o RNA como um alvo para a primeira molécula auto-replicante.
Terapias Médicas
Produtos químicos que imitam os constituintes dos ácidos nucléicos estão sendo usados como drogas hoje, com mais desenvolvimentos nesta área em andamento. Por exemplo, uma forma ligeiramente modificada de uracila, 5-fluorouracila (5-FU), tem sido usada há décadas para tratar o carcinoma do cólon. Ele faz isso imitando uma verdadeira base nitrogenada próxima o suficiente para que seja inserida no DNA recém-fabricado. Em última análise, isso leva a uma quebra na síntese de proteínas.
Imitadores de nucleosídeos (que, você deve se lembrar, são um açúcar ribose mais uma base nitrogenada) têm sido usados em terapias antibacterianas e antivirais. Às vezes, é a porção de base do nucleosídeo que sofre modificação e, em outras ocasiões, o fármaco tem como alvo a porção de açúcar.