Ácido nucleico - Nucleic acid

Ácidos nucleicos RNA (esquerda) e DNA (direita).

Os ácidos nucléicos são biopolímeros , ou grandes biomoléculas , essenciais para todas as formas de vida conhecidas . Eles são compostos de nucleotídeos , que são os monômeros feitos de três componentes: um açúcar de 5 carbonos , um grupo fosfato e uma base nitrogenada . As duas classes principais de ácidos nucléicos são o ácido desoxirribonucléico (DNA) e o ácido ribonucléico (RNA). Se o açúcar for ribose , o polímero é RNA; se o açúcar for a desoxirribose derivada da ribose , o polímero é o DNA.

Os ácidos nucléicos são compostos químicos de ocorrência natural que atuam como as principais moléculas transportadoras de informações nas células e constituem o material genético. Os ácidos nucléicos são encontrados em abundância em todas as coisas vivas, onde criam, codificam e armazenam informações de cada célula viva de cada forma de vida na Terra. Por sua vez, eles funcionam para transmitir e expressar essa informação dentro e fora do núcleo da célula para as operações internas da célula e, finalmente, para a próxima geração de cada organismo vivo. A informação codificada é contida e transmitida por meio da sequência de ácido nucléico , que fornece a ordenação em 'escada' dos nucleotídeos dentro das moléculas de RNA e DNA. Eles desempenham um papel especialmente importante no direcionamento da síntese de proteínas.

Strings de nucleotídeos são ligados para formar backbones helicoidais - tipicamente, um para RNA, dois para DNA - e montados em cadeias de pares de bases selecionados a partir das cinco nucleobases primárias ou canônicas , que são: adenina , citosina , guanina , timina , e uracil . A timina ocorre apenas no DNA e a uracila apenas no RNA. Usando aminoácidos e o processo conhecido como síntese de proteínas , o sequenciamento específico no DNA desses pares de nucleobases permite armazenar e transmitir instruções codificadas como genes . No RNA, o sequenciamento de pares de bases fornece a fabricação de novas proteínas que determinam as estruturas e partes e a maioria dos processos químicos de todas as formas de vida.

História

O cientista suíço Friedrich Miescher descobriu os ácidos nucléicos ( DNA ) em 1868. Mais tarde, ele levantou a ideia de que eles poderiam estar envolvidos na hereditariedade .

Os estudos experimentais de ácidos nucléicos constituem uma parte importante da moderna pesquisa biológica e médica e formam a base para o genoma e a ciência forense , e as indústrias de biotecnologia e farmacêutica .

Ocorrência e nomenclatura

O termo ácido nucléico é o nome geral para DNA e RNA, membros de uma família de biopolímeros , e é sinônimo de polinucleotídeo . Os ácidos nucléicos foram nomeados por sua descoberta inicial dentro do núcleo e pela presença de grupos fosfato (relacionados ao ácido fosfórico). Embora descobertos pela primeira vez dentro do núcleo das células eucarióticas , os ácidos nucléicos são agora conhecidos por serem encontrados em todas as formas de vida, incluindo bactérias , arquéias , mitocôndrias , cloroplastos e vírus (há um debate se os vírus são vivos ou não ). Todas as células vivas contêm DNA e RNA (exceto algumas células, como os glóbulos vermelhos maduros), enquanto os vírus contêm DNA ou RNA, mas geralmente não ambos. O componente básico dos ácidos nucléicos biológicos é o nucleotídeo , cada um dos quais contém um açúcar pentose ( ribose ou desoxirribose ), um grupo fosfato e uma nucleobase . Os ácidos nucléicos também são gerados em laboratório, por meio do uso de enzimas (DNA e RNA polimerases) e por síntese química em fase sólida . Os métodos químicos também permitem a geração de ácidos nucleicos alterados que não são encontrados na natureza, por exemplo, ácidos nucleicos de peptídeos .

Composição molecular e tamanho

Os ácidos nucléicos são geralmente moléculas muito grandes. Na verdade, as moléculas de DNA são provavelmente as maiores moléculas individuais conhecidas. Moléculas de ácido nucléico biológicas bem estudadas variam em tamanho de 21 nucleotídeos ( pequeno RNA interferente ) a grandes cromossomos ( o cromossomo humano 1 é uma única molécula que contém 247 milhões de pares de bases ).

Na maioria dos casos, as moléculas de DNA que ocorrem naturalmente são de fita dupla e as moléculas de RNA são de fita simples. Existem inúmeras exceções, no entanto - alguns vírus têm genomas feitos de RNA de fita dupla e outros vírus têm genomas de DNA de fita simples e, em algumas circunstâncias, estruturas de ácido nucléico com três ou quatro fitas podem se formar.

Os ácidos nucleicos são polímeros lineares (cadeias) de nucleotídeos. Cada nucleotídeo consiste em três componentes: uma purina ou pirimidina nucleobase (às vezes denominada base nitrogenada ou simplesmente base ), um açúcar pentose e um grupo fosfato que torna a molécula ácida. A subestrutura que consiste em uma nucleobase mais açúcar é denominada nucleosídeo . Os tipos de ácido nucléico diferem na estrutura do açúcar em seus nucleotídeos - o DNA contém 2'- desoxirribose, enquanto o RNA contém ribose (onde a única diferença é a presença de um grupo hidroxila ). Além disso, as nucleobases encontradas nos dois tipos de ácido nucléico são diferentes: adenina , citosina e guanina são encontradas no RNA e no DNA, enquanto a timina ocorre no DNA e a uracila no RNA.

Os açúcares e fosfatos nos ácidos nucléicos estão conectados uns aos outros em uma cadeia alternada (esqueleto açúcar-fosfato) por meio de ligações fosfodiéster . Na nomenclatura convencional , os carbonos aos quais os grupos fosfato se ligam são os carbonos da extremidade 3 'e da extremidade 5' do açúcar. Isso dá direcionalidade aos ácidos nucléicos , e as extremidades das moléculas de ácido nucléico são referidas como extremidade 5 'e extremidade 3'. As nucleobases são unidas aos açúcares por meio de uma ligação N-glicosídica envolvendo um nitrogênio do anel da nucleobase (N-1 para pirimidinas e N-9 para purinas) e o carbono 1 'do anel de açúcar pentose.

Os nucleosídeos não padrão também são encontrados no RNA e no DNA e geralmente surgem da modificação dos nucleosídeos padrão dentro da molécula de DNA ou do transcrito de RNA primário (inicial). As moléculas de RNA de transferência (tRNA) contêm um número particularmente grande de nucleosídeos modificados.

Topologia

Os ácidos nucleicos de fita dupla são constituídos por sequências complementares, nas quais o extenso par de bases de Watson-Crick resulta em uma estrutura tridimensional de dupla hélice de ácido nucleico altamente repetida e bastante uniforme . Em contraste, as moléculas de RNA e DNA de fita simples não são restritas a uma dupla hélice regular e podem adotar estruturas tridimensionais altamente complexas que são baseadas em curtos trechos de sequências pareadas de bases intramoleculares, incluindo Watson-Crick e pares de bases não canônicas, e uma ampla gama de interações terciárias complexas.

As moléculas de ácido nucleico geralmente não são ramificadas e podem ocorrer como moléculas lineares e circulares. Por exemplo, cromossomos bacterianos, plasmídeos , DNA mitocondrial e DNA cloroplástico são geralmente moléculas de DNA de fita dupla circular, enquanto os cromossomos do núcleo eucariótico são geralmente moléculas de DNA de fita dupla linear. A maioria das moléculas de RNA são moléculas lineares de fita simples, mas as moléculas circulares e ramificadas podem resultar de reações de splicing de RNA . A quantidade total de pirimidinas em uma molécula de DNA de fita dupla é igual à quantidade total de purinas. O diâmetro da hélice é de cerca de 20Å.

Seqüências

Uma molécula de DNA ou RNA difere de outra principalmente na sequência de nucleotídeos . As sequências de nucleotídeos são de grande importância na biologia, uma vez que carregam as instruções finais que codificam todas as moléculas biológicas, conjuntos moleculares, estruturas subcelulares e celulares, órgãos e organismos e ativam diretamente a cognição, a memória e o comportamento ( ver Genética ). Enormes esforços foram feitos no desenvolvimento de métodos experimentais para determinar a sequência de nucleotídeos de moléculas biológicas de DNA e RNA, e hoje centenas de milhões de nucleotídeos são sequenciados diariamente em centros de genoma e laboratórios menores em todo o mundo. Além de manter o banco de dados de sequência de ácido nucleico do GenBank, o National Center for Biotechnology Information (NCBI, https://www.ncbi.nlm.nih.gov ) fornece recursos de análise e recuperação para os dados no GenBank e outros dados biológicos disponibilizados através do site do NCBI.

Tipos

Ácido desoxirribonucleico

O ácido desoxirribonucléico (DNA) é um ácido nucléico que contém as instruções genéticas usadas no desenvolvimento e funcionamento de todos os organismos vivos conhecidos. Os segmentos de DNA que carregam essa informação genética são chamados de genes. Da mesma forma, outras sequências de DNA têm finalidades estruturais ou estão envolvidas na regulação do uso dessa informação genética. Junto com o RNA e as proteínas, o DNA é uma das três principais macromoléculas essenciais para todas as formas de vida conhecidas. O DNA consiste em dois longos polímeros de unidades simples chamadas nucleotídeos, com estruturas constituídas por açúcares e grupos fosfato unidos por ligações de éster. Essas duas fitas correm em direções opostas uma à outra e são, portanto, antiparalelas. Ligado a cada açúcar está um dos quatro tipos de moléculas chamadas nucleobases (informalmente, bases). É a sequência dessas quatro nucleobases ao longo do backbone que codifica as informações. Essas informações são lidas usando o código genético, que especifica a sequência dos aminoácidos dentro das proteínas. O código é lido copiando trechos de DNA no RNA de ácido nucléico relacionado em um processo denominado transcrição. Dentro das células, o DNA é organizado em longas estruturas chamadas cromossomos. Durante a divisão celular, esses cromossomos são duplicados no processo de replicação do DNA, fornecendo a cada célula seu próprio conjunto completo de cromossomos. Os organismos eucarióticos (animais, plantas, fungos e protistas) armazenam a maior parte de seu DNA dentro do núcleo da célula e parte de seu DNA em organelas, como mitocôndrias ou cloroplastos. Em contraste, procariontes (bactérias e arquéias) armazenam seu DNA apenas no citoplasma. Dentro dos cromossomos, as proteínas da cromatina, como as histonas, compactam e organizam o DNA. Essas estruturas compactas guiam as interações entre o DNA e outras proteínas, ajudando a controlar quais partes do DNA são transcritas.

Ácido ribonucleico

O ácido ribonucleico (RNA) funciona na conversão de informações genéticas de genes em sequências de aminoácidos de proteínas. Os três tipos universais de RNA incluem RNA de transferência (tRNA), RNA mensageiro (mRNA) e RNA ribossômico (rRNA). O RNA mensageiro atua para transportar informações da sequência genética entre o DNA e os ribossomos, direcionando a síntese de proteínas e transportando instruções do DNA no núcleo para o ribossomo. O RNA ribossomal lê a sequência de DNA e catalisa a formação de ligações peptídicas. O RNA de transferência serve como molécula transportadora de aminoácidos a serem usados ​​na síntese de proteínas e é responsável pela decodificação do mRNA. Além disso, muitas outras classes de RNA são agora conhecidas.

Ácido nucléico artificial

Análogos de ácidos nucleicos artificiais foram concebidos e sintetizados por químicos e incluem ácido nucleico de peptídeo , morfolino - e ácido nucleico bloqueado , ácido nucleico de glicol e ácido nucleico de treose . Cada um deles se distingue do DNA ou RNA de ocorrência natural por mudanças na estrutura das moléculas.

Veja também

Notas

Referências

Bibliografia

  • Wolfram Saenger, Principles of Nucleic Acid Structure , 1984, Springer-Verlag New York Inc.
  • Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts e Peter Walter Molecular Biology of the Cell , 2007, ISBN  978-0-8153-4105-5 . A quarta edição está disponível online através do NCBI Bookshelf: link
  • Jeremy M Berg, John L Tymoczko e Lubert Stryer, Biochemistry 5th edition, 2002, WH Freeman. Disponível online através do NCBI Bookshelf: link
  • Astrid Sigel; Helmut Sigel; Roland KO Sigel, eds. (2012). Interação entre íons metálicos e ácidos nucléicos . Íons metálicos em ciências da vida. 10 . Springer. doi : 10.1007 / 978-94-007-2172-2 . ISBN 978-94-007-2171-5. S2CID  92951134 .

Leitura adicional

  • Palou-Mir J, Barceló-Oliver M, Sigel RK (2017). "Capítulo 12. O papel do chumbo (II) nos ácidos nucléicos". Em Astrid S, Helmut S, Sigel RK (eds.). Chumbo: seus efeitos no meio ambiente e na saúde . Íons metálicos em ciências da vida. 17 . de Gruyter. pp. 403–434. doi : 10.1515 / 9783110434330-012 . PMID  28731305 .

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