(DNA) composição, estrutura molecular

Ciências da Natureza e suas
Tecnologias - Biologia
Ensino Médio, 1ª Série
Os ácidos nucleicos (DNA): composição e
estrutura molecular
COMPONENTE CURRICULAR: BIOLOGIA - Série 1º Ano
Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
Os ácidos nucleicos são assim chamados por
seu caráter ácido, e por terem sido originalmente
descobertos no núcleo das células.
A partir da década de 1940, os ácidos
nucleicos passaram a ser intensivamente
estudados, pois se descobriu que eles formam os
genes responsáveis pela herança biológica.(1). .
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
Os ácidos nucleicos são constituídos por três
tipos de componentes:
• glicídios do grupo das pentoses;
• ácido fosfórico;
• bases nitrogenadas.
Esses componentes organizam-se em trios
moleculares denominados nucleotídios, que se
encadeiam às centenas ou aos milhares para formar
uma molécula de ácido nucleico.
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
base
nitrogenada
NUCLEOTÍDEO
ácido fosfórico
desoxirribose
Imagem: NEUROticker / public domain
Representação de nucleotídio
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
Há dois tipos de ácidos nucleicos:
• ácido desoxirribonucleico conhecido como DNA;
• ácido ribonucleico conhecido como RNA.
Essas
substâncias
apresentam,
respectivamente, desoxirribose e ribose em suas
moléculas. Dos cinco tipos de base nitrogenadas
presentes nos ácidos nucleicos, três ocorrem tanto
no DNA quanto no RNA.
adenina (A), citosina (C), guanina (G)
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
A base nitrogenada timina (T) ocorre
exclusivamente no DNA, enquanto a base uracila(U)
ocorre exclusivamente no RNA.
Disso decorre que uma molécula de DNA, por
maior que seja, terá apenas 4 tipos de
nucleotídeos, todos possuindo desoxirribose, no
entanto, diferindo quanto ao tipo de base. Já numa
molécula de RNA, os 4 tipos de nucleotídeos terão a
ribose, e uma das 4 bases nitrogenadas.
BASES PIRIMÍDICAS
Citosina
Desoxirribose
Timina
AÇÚCARES
Adenina
NUCLEOTÍDEO
(DNA)
Uracila
ÁCIDO FOSFÓRICO
Ribose
BASES PÚRICAS
Guanina
Imagens de cima para baixo e da esquerda para a direita: (a) Michał Sobkowski / GNU
Free Documentation License. (b) cacycle / GNU Free Documentation License. (c)
NEUROticker / public domain. (d) Yikrazuul / public domain. (e) Richard Wheeler / GNU
Free Documentation License. (f) NEUROticker / public domain. (g) cacycle / GNU Free
Documentation License. (h) Ed (Edgar181) / public domain. (i) NEUROticker / public
domain.
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
Representação de bases nitrogenadas, açucares e ácido fosfórico.
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
As bases nitrogenadas são classificadas em
pirimídicas e púricas .
A bases pirimídicas são formadas por uma
cadeia fechada com quatro átomos de carbono e
dois de nitrogênio. São elas: citosina (C), timina
(T), uracila (U).
As bases púricas, por sua vez, apresentam
estrutura química constituída por duas cadeias
fechadas, e também chamadas aneis. São elas:
adenina (A) ou guanina (G).
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
Estrutura dos ácidos nucleicos
Moléculas de DNA são constituídas por duas
cadeias de nucleotídeos enroladas uma sobre a
outra, lembrando um escada helicoidal.
As duas cadeias mantêm-se unidas entre si
por meio de um tipo especial de ligação, a ligação
de hidrogênio (ou ponte de hidrogênio) entre pares
de bases específicos.
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
A adenina emparelha-se e forma ponte de
hidrogênio com timina; a guanina emparelha-se e
forma ponte de hidrogênio com citosina.
Moléculas de RNA são geralmente formadas
por cadeia única, que se enrola sobre si mesma.
Alguns vírus, no entanto, como o do mosico-dotabaco, possuem RNA de dupla-cadeia (2).
Cadeia de açúcares
e fosfatos
Nucleotídeo
Bases nitrogenadas
Pontes de
hidrogênio
Diferentes formas de representar uma molécula de DNA: representação plana: duas cadeias por duas
bases nitrogenadas, representada na seleção retangular acima um nucleotídeo. Representado da duplahélice no espaço, mostrando as ligações de ponte de hidrogênio. Representação dos átomos por modelos
de esfera.
Imagens da esquerda para a direita: (a) Mirmillon / public domain. (b) Zephyris
/ GNU Free Documentation License. (c) Elapied e Stw / public domain.
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
A molécula de DNA possui uma configuração
estrutural bastante distinta. O modelo inicial que
explica a estrutura do DNA foi proposto por James
D. Wastson e Francis H.C. Crick em 1953.
Segundo eles, a molécula de DNA é uma fita
dupla constituída por duas cadeias paralelas que
correm em direções opostas. Os emparelhamentos
são estabelecidos graças à afinidade química entre
as bases adenina e timina (A-T) e guanina e citosina
(G-C).
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
Notamos que a ligação se faz sempre entre
uma base púrica e uma base pirimídica e que há
afinidade química somente entre adenina, e timina,
e guanina e citosina.
Na verdade, essa afinidade pode ser
constatada observando-se as ligações que se
estabelecem entre as bases e que se chamam
ponte de hidrogênio. Estas são ligações fracas que
ocorrem entre átomos de hidrogênio e alguns
outros maiores que ele, entre os quais estão o
oxigênio,o nitrogênio e o flúor.
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
Detalhe de uma molécula de DNA,
evidenciando o pareamento de bases
nitrogenadas
Imagem: Giac83 / public domain
Imagem: Mirmillon / public domain
O modelo adotado até hoje abriu um novo e
importante campo de estudo: o da genética
molecular. Isso rendeu a Watson, a Crick e a Wilkins
o prêmio Nobel de Medicina e Fisiologia de 1962.
Molécula de DNA dupla-hélice.
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
Imagem: Joz1340 / Public Domain.
Imagem: Estrutura química do RNA /
Narayanese / GNU Free Documentation
License
O RNA tem origem a partir da molécula de
DNA.
O RNA, ou ácido ribonucleico, é uma molécula
em cadeia simples, apresentando uma estrutura
primária semelhante à do DNA. Como principais
diferenças em relação ao DNA, o RNA (3):
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
• possui a ribose em vez da 2`-desoxirribose, o que
lhe confere uma desvantagem estrutural, pois
torna-se menos resistente à hidrólise;
• é composto por duas bases heterocíclicas da
família das purinas (guanina e adenina) e duas
pirimidinas (citosina e uracila, em detrimento da
timina, presente no DNA) (4);
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
• apresenta-se, normalmente, sob a forma de cadeia
simples, podendo ocorrer emparelhamento das
bases a nível intramolécular (o que torna o RNA não
redundante), assumindo formas complexas e pouco
usuais;
Tal como no DNA, no RNA, os nucleotídeos estão
ligados por ligações fosfodiéster 3'-5'. Apesar destes
ácidos nucleicos poderem formar duplexos, estão
normalmente sob a forma de cadeia simples (5);
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
Representação
estrutural
de
um
ribonucleotídeo, mais especificamente da uridina5'-monofosfato (ou ácido 5'-uridílico).
Os RNA, existem na célula como produto
direto de genes e pertencem a 3 classes distintas:
• o RNA mensageiro (mRNA), o qual alberga
informação que posteriormente será traduzida
numa proteína;
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
• o RNA ribossomal (rRNA), componente principal
do ribossoma;
• e o RNA de transferência (tRNA), que funciona
como uma molécula transportadora de
aminoácidos no decorrer do processo de tradução
(6).
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
Citoplasma
Transcrição
Translação
Proteína
Ribossoma
(Complexo rRNA/Proteína)
Imagem: Autor desconhecido / domínio público
Núcleo
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
citosina
citosina
ATCG’s
AUCG’s
guanina
guanina
esqueleto
fosfoglicídico
adenina
adenina
par de
bases
timina
uracilo
DNA
RNA
ácido
desoxirribonucleico
ácido
ribonucleico
Substitui timina no RNA
bases
azotadas
bases
azotadas
Imagem: Da lateral esquerda: (a) Michał Sobkowski / GNU Free Documentation License; (b) Ed (Edgar181) / public domain.(c) cacycle / GNU Free
Documentation License. (d) cacycle / GNU Free Documentation License. Central: (e) Boumphreyfr / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0
Unported. (f) Boumphreyfr / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported. Da lateral direita: (g) Michał Sobkowski / GNU Free Documentation
License. (h) Ed (Edgar181) / public domain. (i) cacycle / GNU Free Documentation License. (j) NEUROticker / public domain.
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
A duplicação do DNA
O modelo estrutural do DNA proposto por
Watson e Crick explica a duplicação dos genes: as
duas cadeias do DNA se separam e cada uma delas
orienta a fabricação de uma metade
complementar.
O experimento dos pesquisadores Meselson
e Stahl confirmou que a duplicação do DNA é
semiconservativa, isto é, que metade da molécula
original se conserva íntegra em cada uma das duas
moléculas-filhas (7).
Imagem: Madprime / Creative Commons
Attribution-Share Alike 3.0 Unported
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
No processo de duplicação do DNA, as pontes
de hidrogênio entre as bases se rompem e as duas
cadeias começam a se separar. À medida que as
bases vão sendo expostas, nucleotídeos que vagam
pelo meio ao redor vão se unindo a elas, sempre
respeitando a especificidade de emparelhamento:
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
A com T, T com A, C com G e G com C.
Uma vez ordenados sobre a cadeia que está
servindo de modelo, os nucleotídeos se ligam
em sequência e formam uma cadeia
complementar sobre cada uma das cadeias
da molécula original.
Assim, uma molécula de DNA reproduz
duas moléculas idênticas a ela (8).
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
Esquema de duplicação de DNA
Timina
Imagem: Madprime / Creative Commons
Attribution-Share Alike 3.0 Unported
Adenina
Guanina
Citosina
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
Diversos aspectos da duplicação do DNA já
foram desvendados pelos cientistas. Hoje, sabese que há diversas enzimas envolvidas nesse
processo.
Certas enzimas desemparelham as duas
cadeias de DNA, abrindo a molécula. Outras
desenrolam a hélice dupla, e há, ainda, aquelas
que unem os nucleotídeos entre si. A enzima que
promove a ligação dos nucleotídeos é conhecida
como DNA polimerase, pois sua função é construir
um polímero (do grego poli, muitas, e meros,
parte) de nucleotídeos (9).
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
Transcrição da informação genética
A síntese de RNA (mensageiro, por exemplo)
se inicia com a separação das duas fitas de DNA.
Apenas uma das fitas do DNA serve de molde para
a produção da molécula de RNAm. A outra fita não
é transcrita. Essa é uma das diferenças entre a
duplicação do DNA e a produção do RNA (10).
Imagem: Forluvoft / domínio público
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
As outras diferenças são:
os nucleotídeos utilizados possuem o açúcar
ribose no lugar da desoxirribose; há a participação
de nucleotídeos de uracila no lugar de
nucleotídeos de timina;
Assim, se na fita de DNA que está sendo
transcrita aparecer adenina, encaminha-se para
ela um nucleotídeo complementar contendo
uracila (11);
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
Imaginando um segmento hipotético de um
filamento de DNA com a sequência de bases:
DNA- ATGCCGAAATTTGCG
O segmento de RNAm formado na transcrição terá
a sequência de bases (12):
RNA- UACGGCUUUAAACGC
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
Em uma célula eucariótica, o RNAm
produzido destaca-se de seu molde e, após passar
por um processamento, atravessa a carioteca e se
dirige para o citoplasma, onde se dará a síntese
proteica. Com o fim da transcrição, as duas fitas de
DNA seu unem novamente, refazendo-se a dupla
hélice (13).
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
Transcrição: DNA faz RNA
DIFERENÇAS DNA E RNA
DNA
RNA
Açúcar
desoxirribose
ribose
Filamento
duplo
simples
Função
Inf. genética
Sint.
proteínas
Piridiminas:
Citosina e
Timina
Purinas:
Adenina e
Guanina
Piridiminas:
Citosina e
Uracila
Purinas:
Adenina e
Guanina
Bases
Nitrogenadas
Imagem: Boumphreyfr/ Creative Commons - Atribuição - Partilha nos Mesmos
Termos 3.0 Não Adaptada
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
Trifosfato de adenosina (ATP)
As células necessitam de suprimento
constante de energia para manter sua organização e
sua funcionamento. A energia, que provém
primariamente de degradação de moléculas
orgânicas do alimento, encontra-se armazenada em
moléculas de uma substância chamada trifosfato de
adenosina.
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
Essa substância tem por função:
• captar a energia liberada nas reações exergônicas
(ou seja, aquelas que liberam energia);
• armazená-las em ligações moleculares de alta
energia;
•transferir energia para processos endergônicos
(isto é, que absorvem energia).
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
Estrutura química do ATP
Do ponto de vista químico, o ATP é um
nucleotídeo que é constituído pela base
nitrogenada adenina, unida ao glicídio ribose,
unido, por sua vez, a três grupos fosfatos
encadeados.
As ligações químicas entre dois fosfatos do
ATP são ligações de alta energia; são representadas
graficamente pelo símbolo ~.
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
Grupo fosfato
Ribose
Formula estrutural do ATP. A partir da molécula formada pela adenina e pela ribose é
chamada adenosina. A adição de um fosfato à adenosina origina o monofosfato de
adenosina (AMP) , a adição de um segundo fosfato dá origem ao disfosfato de
adenosina (ADP) e a um terceiro fosfato origina o trifosfato de adenosina (ATP).
Imagem: Batterytime/ domínio público
Adenina
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
Recursos extras
Apresentação de animações do youtube; Música dos ácidos nucleicos.
http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=ljmS_t3G1mY
Construção de modelo 3D em goma da molécula de DNA (DNA comestível).
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Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
EXERCÍCIO DE APLICAÇÃO
01. Numa molécula de DNA, a quantidade de...
a) adenina mais timina é igual à de citosina mais guanina.
b) citosina mais uracila é igual à de timina mais adenina.
c) uracila mais adenina é igual à de citosina mais
guanina.
d) guanina mais timina é igual à de citosina mais uracila.
e) adenina mais citosina é igual à de guanina mais timina.
COMPONENTE CURRICULAR: BIOLOGIA - Série 1º Ano
Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
02. O que significa: DNA e RNA?
03. As bases nitrogenadas podem dividir-se em dois
grupos. Caracterize esses dois grupos, indicando as
bases constituintes.
04.Desenhe a composição de um nucleotídeo,
identificando suas partes.
COMPONENTE CURRICULAR: BIOLOGIA - Série 1º Ano
Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
05. A molécula de DNA é constituída por...
a) uma cadeia de polipeptídeos unidos por pontes de
hidrogênio.
b) duas cadeias de polipeptídeos formando uma
dupla hélice.
c) uma cadeia de nucleotídeos que tem a capacidade
de se replicar.
d) duas cadeias de nucleotídeos unidas por pontes de
hidrogênio.
e) duas cadeias de bases nitrogenadas unidas por
polipeptídeos.
COMPONENTE CURRICULAR: BIOLOGIA - Série 1º Ano
Tópico: Os ácidos nucleicos (DNA): composição e estrutura molecular
REFERÊNCIAS
J.M. Amabis; G.R. Martho; Fundamentos
Moderna,4.Ed,São Paulo:Moderna.2006.
da
Biologia
Carvalho, Wanderley; Biologia em Foco, volume único – São
Paulo: FTD, 2002.
www.sobiologia.com.br/conteudo/citologia/cito27.php.
www.portalsaofrancisco.com.br
www.youtube.com.br
Tabela de Imagens
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4
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7a Michał Sobkowski / GNU Free Documentation
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7b cacycle / GNU Free Documentation License
7c NEUROticker / public domain
7d Yikrazuul / public domain
7e Richard Wheeler / GNU Free Documentation
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7h Ed (Edgar181) / public domain
7i
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nmonophosphat_protoniert.svg
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e_chemical_structure.png
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Uracil.s
vg
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bose_structure.svg
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ribose_
structure_2.png
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ors%C3%A4ure_-_Phosphoric_acid.svg
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e_chemical_structure.png
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e.svg
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23/04/2012
23/04/2012
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23/04/2012
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11c Elapied e Stw / public domain
14a Mirmillon / public domain
14b Giac83 / public domain
15a Estrutura química do RNA / Narayanese / GNU
Free Documentation License
15b Joz1340 / Public Domain.
20 Autor desconhecido / domínio público
21a Michał Sobkowski / GNU Free Documentation
License
21b Ed (Edgar181) / public domain
21c cacycle / GNU Free Documentation License
21d cacycle / GNU Free Documentation License
Link da Fonte
Data do
Acesso
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yrene_DNA_adduct_1JDG.png
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:DNA_m
olecule_closeup.jpg
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nucleot
ide.gif
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:DNA.pn
g
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:RNA_ch
emical_structure.GIF
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:RNA_ba
sic_structure.JPG
http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Transkriptio
n_Translation_01.jpg
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:N4cytosine.png
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Guanin
e.svg
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e_chemical_structure.png
23/04/2012
23/04/2012
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27/04/2012
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26/04/2012
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21f Boumphreyfr / Creative Commons AttributionShare Alike 3.0 Unported
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23/04/2012
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http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Rna_sy
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e_chemical_structure.png
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Data do
Acesso
23/04/2012
23/04/2012
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23/04/2012
25/04/2012
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26/04/2012
26/04/2012