Ácidos Nucléicos e Sintese Proteica

O ácido nucléico é formado por um grande polímero de moléculas individuais chamadas de nucleotídeos. Há dois tipos de ácidos nucléicos, o ácido ribonucléico (RNA), e o ácido desoxirribonucléico (DNA). A síntese de proteínas acontece com a associação de um ribossomo com um RNAm e um RNAt.

 

1. ÁCIDOS NUCLÉICOS

1.1 – HISTÓRICO DA DESCOBERTA DOS ÁCIDOS NUCLÉICOSOs ácidos nucléicos são substâncias presentes no núcleo da célula que foram descobertas em 1869 pelo bioquímico Friedtich Mieschner. Em 1909, outro bioquímico Phoebus A. T. Levene continuou com as pesquisas, e identificou corretamente a ribose como açúcar de um dos dois tipos de ácido nucléico, o ácido ribonucléico, e certos componentes do outro ácido nucléico, o ácido desoxirribonucléico. Ele e muitos de seus colegas estavam convencidos de que, com ácidos nucléicos e proteínas no núcleo, as complexas e abundantes moléculas de proteínas armazenavam todas as informações genéticas nos cromossomos. A teoria do Levene sobre o propósito do DNA – meramente manter unidas as moléculas de proteína – revelou-se incorreta.

Em 1928, os bacteriologistas ingleses Fredrick Griffith e Oswald T. Avery continuaram a pesquisa acerca das moléculas. O trabalho de Fredrick Griffith ficou conhecido como transformação genética (Leitura em anexo ao final do estudo). Oswald T. Avery e seus colaboradores, em 1944, publicaram os resultados de suas extensas pesquisas, os quais mostraram claramente que era DNA, e não a proteína ou RNA, que permitia o transporte das informações hereditárias. Entretanto, este trabalho não foi muito aceito na comunidade científica. Um trabalho publicado em 1952 por Alfred Hershey e Martha Chase produziu um impacto muito maior na comunidade científica (Leitura ao final do estudo).Bioquímico natural da Áustria Erwin Chargaff determinou as proporções dos quatro compostos presentes no DNA: adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T). Em 1950, ele determinou as quantidades proporcionais exatas das bases de DNA em cada molécula: a quantidade de guanina é igual à quantidade de citosina e a quantidade de adenina igual à quantidade de timina. Com isso, Chargaff chegou à seguinte proposição: a quantidade de guanina e adenina combinadas é igual à citosina e timina combinadas. Alfred D. Hershey, na década de 1940 e no início da década seguinte, corroborou a conclusão do grupo de Avery de que o DNA é o material genético. Os ácidos nucléicos apresentam-se em dois tipos: DNA (ácido desoxirribonucléico) e RNA (ácido ribonucléico). As bases são as mesmas em ambas as moléculas, com exceção da uracila, que substitui a timina no RNA.

1.2 CONSTITUIÇÃO DOS ÁCIDOS NUCLÉICOS

Com o advento das pesquisas e das inovações tecnológicas, foi possível se chegar à constituição das moléculas de ácidos nucléicos. Cada molécula de ácido nucléico é formada por unidades menores denominadas NUCLEOTÍDEOS. Cada unidade desta é formada pelas seguintes moléculas:

a) Um ácido fosfórico;

b) Um açúcar (pentose) que pode ser a ribose ou a desoxirribose;

c) Uma base nitrogenada (adenina, guanina, timina, citosina e uracila).

Vamos começar a estudar a molécula chamada de DNA. Sabemos hoje que os genes, que são as informações hereditárias transmitidas de geração a geração são formados por DNA. Este, por sua vez, é formado por duas longas fitas de nucleotídeos arranjados em dupla hélice. O açúcar presente é uma pentose denominada desoxirribose. As fitas, que se encontram espiraladas, são unidas através de ligações extremamente fortes denominadas pontes de hidrogênio que ocorre entre as bases nitrogenadas (A, T, G, C) de cada fita, como se formasse uma espécie de “escada”. As cadeias que formam a molécula de DNA são complementares, ou seja, o emparelhamento ocorre seguindo um determinado padrão: A adenina (A) se liga sempre com a timina (T) através de duas ligações, e a citosina (C) se liga sempre com a guanina (G) através de três ligações. Ou seja, se uma determinada fita de DNA apresentar a seqüência TTAGTCGT, sua fita complementar apresentará, obrigatoriamente, a seqüência AATCAGCA.

Molécula de DNA - Acidos Nucléicos
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Figura 1. Molécula de DNA.


Como dito anteriormente, a molécula de DNA é a molécula hereditária, ou seja, controla todas as características hereditárias. Mas como que ocorre a transmissão de características pelo DNA? Em seu interior o DNA possui uma região denominada gene que é responsável por controlar uma específica região. Entretanto, apenas uma pequena parcela do DNA, nos organismos eucariontes, é formada por genes. Na espécie humana, por exemplo, estudos mostram que apenas 3% do DNA é formado por genes formando a região codificada. O restante, os demais 97%, são chamados de “região não codificada”.

Uma característica do DNA é sua capacidade de autoduplicação ou também denominada de replicação. As moléculas de DNA são capazes de se reproduzir por um processo denominado de DUPLICAÇÃO SEMICONSERVATIVA. Originalmente quem demonstrou essa propriedade do DNA foram dois cientistas Meselson e Stahl através da marcação da densidade.

O processo se inicia com a separação das fitas através da quebra das pontes de hidrogênio. A quebra destas ligações ocorre com a enzima DNApol (DNA polimerase), separando-se assim, as duas cadeias de DNA. Cada “cadeia antiga” serve de molde para construção de uma “cadeia nova”, determinando a ordem em que devem ser colocados os nucleotídeos sobre ela. Os nucleotídeos ordenados sobre cada cadeia molde são unidos entre si para formar uma nova cadeia complementar à antiga. Ao final do processo são produzidas duas moléculas de DNA idênticas, cada uma delas constituída por uma cadeia da molécula original e por uma cadeia recém formada.

A síntese de DNA, ou seja, a formação de uma nova fita de DNA é sempre sintetizada na direção 5’ à 3’. Entretanto, surge um grande questionamento: Se a duplicação ocorre sempre na direção 5’ à 3’ e se as duas fitas são antiparalelas, como pode haver a síntese das duas fitas simultaneamente? Esse problema foi resolvido na década de 60, onde um pesquisador denominado de Reiji Okazaki descobriu que uma das novas fitas de DNA é formada em pequenos fragmentos, os fragmentos de Okazaki, ou seja, uma fita é sintetizada de forma contínua e a outra fita de forma descontínua.


Figura 2. Esquema de Duplicação do DNA.

Esquema Duplicação DNA - Ácidos Nucleicos
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Figura 3. Esquema da Duplicação de DNA.


A conseqüência mais séria é uma alteração na seqüência de bases do DNA, que se replicada e transmitida às futuras gerações celulares tornam-se permanentes. Tais alterações levam ao que chamamos de mutação.

O RNA: é formada por uma longa e única fita de nucleotídeos. Diferentemente do DNA o açúcar que compõem a molécula de RNA é a ribose. Outra diferença é a presença da base nitrogenada uracila (U) no lugar da timina (T). O pareamento das bases também ocorre de forma padronizada. A adenina (A) sempre se liga à uracila (U) e a guanina (G) sempre se liga à citosina (C). O ácido ribonucléico RNA é formado a partir de um modelo do DNA em um processo denominado de TRANSCRIÇÃO GÊNICA.

No processo da transcrição as duas cadeias de DNA se separam e apenas uma delas serve de molde para o RNA. A síntese de RNA se inicia em regiões especiais do gene, denominadas de regiões promotoras do gene. Neste processo, nucleotídeos livres se emparelham a uma das cadeias molde de DNA, seguindo sempre a ordem adenina (A) com uracila (U) e citosina (C) com guanina (G). Á medida que ocorre o emparelhamento, os ribonucleotídeos vão sendo unidos pela RNA polimerase. À medida que o RNA vai se formando vai se desprendendo da cadeia modelo de DNA que volta a se juntar com sua fita complementar. Assim, a seqüência de bases nitrogenadas de uma molécula de RNA é complementar à seqüência da fita de DNA. Se o DNA for TTGTAC, a fita de RNA será AACAUG.

Os RNA que são transcritos a partir do DNA estão diretamente envolvidos na síntese de proteínas. O RNA RIBOSSÔMICO (RNAr) associa-se com proteínas especiais para formar o ribossomo local onde ocorre a síntese de proteínas. O RNA TRANSPORTADOR (RNAt) que se liga a uma dos aminoácidos específicos e que possui uma trinca de bases nitrogenadas denominadas de anticódons. A outra molécula de RNA é o RNA MENSAGEIRO (RNAm) que determina os tipos de aminoácidos e a ordem em que eles devem ser unidos para formar a proteína. Estes levam os chamados códons.

2. CÓDIGO GENÉTICO

Como dito anteriormente, as proteínas são formadas a partir da união de vários aminoácidos. Cada aminoácido de uma proteína é definido por um conjunto de letras referentes às bases nitrogenadas (A, T, C, G, U). A união de três letras juntas, ou seja, a cada trinca formada por essas letras, formam o que chamamos de CÓDONS. Por exemplo, AAA, TTT, CTG, UGA, AGU, são exemplos da união de três letras dentro do conjunto permitido e que, formam trincas de bases nitrogenadas, representando, portanto, códons diferentes.

Sabemos que existem 20 tipos de aminoácidos. Sabemos também que no caso do DNA são 4 letras que temos (A, T, G, C), e que no RNA também são 4 letras (A, U, G, C). Se fizermos uma combinação de 4 letras agrupadas em 3 a 3, poderemos formar 64 códons distintos. Mas se cada códon, ou seja, cada trinca forma um aminoácido, e se temos apenas 20 aminoácidos, como que haverá 64 trincas? A resposta é simples: Um aminoácido pode ser formado por duas ou mais trincas diferentes, ou seja, uma ou mais trincas diferentes poderão codificar o mesmo aminoácido. Podemos então definir algumas características básicas do código genético:

a) É universal, ou seja, todos os organismos vivos utilizam o mesmo código;

b) É degenerado, ou seja, um mesmo aminoácido pode ser codificado por duas ou mais trincas diferentes;

Dentre as 64 trincas possíveis, apenas dois aminoácidos são codificados por uma única trinca: O principal aqui para nós conhecermos é a metionina (AUG) que é o códon que marca o início da síntese de proteínas (códon de iniciação). Há também outros três códons que não codificam nada, sendo responsáveis por indicar o fim da síntese protéica; São denominados códon de terminalização, ou seja, a síntese de proteínas encerra em um dos três códons (UAA, UAG, UGA).

 


Codigo Genético - Ácido Nucleico
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Figura 4. O código Genético.

3. SÍNTESE DE PROTEÍNAS

A síntese proteica se inicia com a associação de um ribossomos com um RNAm (RNA mensageiro) e um RNAt (RNA transportador) especial do aminoácido metionina (AUG). O anticódon da metionina é a trinca complementar a ela, ou seja, será UAG. O RNAt que possui o anticódon AUG se liga então à metionina (AUG) para dar início à síntese de proteínas. O local onde o RNAt se encontra no ribossomos é denominado de sítio P sendo o maior local do ribossomos. Ao lado do sítio P está o sítio A onde se encontra o RNAt que carrega o aminoácido a ser incorporado em seguida na cadeia. O ribossomo inicia então sua caminha pela fita de RNA passando de trinca em trinca e depositando os anticódons à medida que vai passando. A síntese só se encerra quando o ribossomo encontra qualquer um dos três códons de finalização (UAA, UAG, UGA).

É comum encontramos 10 ou mais ribossomos traduzindo um mesmo RNAm. A esse conjunto de ribossomos denominamos polissomos (polirribossomos).

Sintese Protéica - Ácidos Nucleicos
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Figura 5. Esquema da Síntese Protéica.


A descoberta do Princípio Transformante – Frederick Griffith (1928)

No ano de 1928 o médico inglês Frederick Griffith publicou um trabalho que relatava uma série de resultados surpreendentes para os quais não tinha explicação. O experimento de Griffith foi desenvolvido com duas linhagens de Pneumococcus que está associada a determinados tipos de pneumonia. A linhagem lisa virulenta (Linhagem S, do inglês, smooth) apresenta uma cápsula polissacarídica protetora que, além de determinar a virulência, ainda dá um aspecto fenotípico liso às colônias distribuídas na placa de petri. Quando Griffith aplicava uma solução de Pneumococcus da linhagem S em camundongos, estes morriam devido à pneumonia. Todavia, cada um dos tipos lisos de Pneumococcus pode originar variantes que falham em produzir a cápsula polissacarídica e apresentam um fenótipo rugoso quando as colônias são observadas na placa de petri. Esta linhagem, denominada R, não possui virulência e quando são aplicadas em camundongos, estes não desenvolvem pneumonia e não morrem. O fato de bactérias da linhagem S serem virulentas e bactéria da linhagem R não serem, não constitui nenhuma novidade. Entretanto, foi a partir desse ponto que os experimentos de Griffith apresentaram resultados surpreendentes.

Quando bactérias da linhagem S (virulentas) eram mortas pelo aquecimento e aplicadas em camundongos, elas perdiam a capacidade de causar dano ao animal. No entanto, quando bactérias da linhagem lisa, mortas pelo aquecimento, eram misturadas a bactérias da linhagem rugosa vivas e esta solução era aplicada em camundongos, estes morriam em conseqüência de infecção por Pneumococcus. Bactérias S virulentas ainda podiam ser recuperadas dos camundongos após a sua morte, veja a ilustração do experimento na figura abaixo. Os resultados experimentais deixaram Griffith atordoado: como bactérias não virulentas poderiam transformar em virulentas? Não apareceu uma explicação imediata. Era como se as bactérias mortas da linhagem lisa voltassem à vida de algum modo, mas isto era evidentemente um absurdo. Frederick Griffith concluiu acertadamente que algum princípio transformante da bactéria lisa morta poderia passar para a bactéria da linhagem rugosa viva, transformando-a em lisa e virulenta. Qual seria a natureza molecular desse princípio transformante e hereditário? Essa resposta Frederick Griffith não conseguiu responder.

Experimento de Hershey – Chase

O experimento foi realizado com um vírus que infecta bactérias (Bacteriófago T2). Esse vírus consiste de um pouco mais de uma região central de DNA empacotada dentro de uma casula protéica. O vírus é então composto de dois materiais que eram, naquele tempo, os candidatos principais para o material genético. Quando um bacteriófago T2 ataca uma bactéria, parte do vírus entra na célula da bactéria. Hershey e Chase se propuseram a determinar que a parte do vírus, DNA ou proteína, entrava na célula bacteriana. Para rastrear estes dois componentes durante o ciclo de vida do vírus, eles marcaram cada um com um marcador radioativo. Todas as proteínas possuem algum enxofre, um elemento que não está presente no DNA, e o enxofre radioativo possui um isótopo radioativo o S³5.

A desoxirribose-fosfato o “esqueleto do DNA”, por outro lado é rica em fósforo, um elemento que não é encontrado na maioria das proteínas e que também possui um isótopo radioativo P³². Os cientistas então cresceram o bacteriófago T2 em uma cultura de bactérias na presença de P³² para que todo o DNA viral fosse marcado com o fósforo. Similarmente, todas as proteínas de outra cultura de bacteriófago de T2 foram marcadas com S35. Em experimento separados os cientistas combinaram vários vírus radioativos contendo ambos os elementos P³² e S35 com bactérias. Depois de alguns minutos agitaram a mistura vigorosamente em um liquidificador que, sem romper a estrutura da bactéria, destrúi as partes dos vírus que não penetraram nas bactérias. Então, com uma centrífuga Hershey e Chase, separaram as bactérias do resto do material. Encontraram que a maioria do S35 e consequentemente a proteína, tinha se separado das bactérias, e que a maior parte do elemento P³², o DNA, estava com as bactérias. Esses resultados sugeriram que o DNA fosse transferido para a bactéria. Ou seja, convenceu a todos que o DNA carrega a informação hereditária.

Experimento de Hershey

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