Conceitos da Biologia Molecular

Ácido desoxirribonucléico, ou DNA, é uma substância química envolvida na transmissão de caracteres hereditários e na produção de proteínas, compostos estes que são os principais constituinte dos seres vivos. Uma molécula de DNA é um polímero linear de nucleotídios conectados entre si via ligações covalentes (ligação química entre átomos que tende a ser estável, mais forte do que outros tipos de ligações), denominadas ligações de fosfodiéster. A seguir será dada uma breve descrição dos componentes e da estrutura do DNA.

Os nucleotídeos, unidades básicas dos ácidos nucléicos, são constituídos de (Figura 1):

• uma base nitrogenada: anel heterocíclico de átomos de carbono e nitrogênio;
• uma pentose: açúcar com cinco carbonos; e
• um grupo fosfato: molécula com um átomo de fósforo cercado por quatro oxigênios;

Figura 1: Estrutura básica de um nucleotídeo e sua composição: uma base nitrogenada, uma pentose (açúcar) e um grupo fosfato.

As bases nitrogenadas são de dois tipos: púricas (adenina (A) e guanina (G)) e pirimídicas (timina (T), citosina (C) e uracila (U)). As purinas (bases púricas) são constituídas de dois anéis fundidos de cinco e seis átomos e as pirimidinas de um único anel de seis átomos, veja a Figura 2. A base uracila não está presente em cadeias de DNA (apenas no RNA).

Figura 2: Estrutura das bases púricas (a) e das bases pirimídicas (b).

Dois tipos de pentoses (resíduos de açúcar) são encontrados nos ácidos nucléicos: ribose e desoxirribose as quais diferem uma da outra pela presença ou ausência do grupo hidroxila no carbono 2 (C2') da pentose, Figura 3. É baseado nesta característica, dentre outras, que os ácidos nucléicos recebem o nome de RNA (ribose) ou DNA (desoxirribose).

O ácido ribonucleico (RNA) é um polímero de nucleotídeos, assim como o DNA, responsável pela síntese de proteínas da célula. Porém, geralmente é encontrado em cadeia simples e possui dimensão muito inferior que o DNA. Este trabalho enfoca a replicação de DNA, assim, o conceito de RNA não será mais abordado.

Figura 3: Dois tipos de pentoses. A pentose do RNA possui hidroxila (OH) no C2'. A pentose do DNA não possui o grupo hidroxila.

A molécula de DNA é uma dupla hélice cujas cadeias estão unidas por pontes de hidrogênios estabelecidas entre purinas e pirimidinas das fitas opostas. Adenina sempre pareia com timina (A--T) e guanina com citosina(G--C). Veja a Figura 5.

Figura 4: Ligações em um nucleotídeo

Como dito anteriormente, os nucleotídeos são formados por três diferentes tipos de moléculas (uma desoxirribose, um grupo fosfato e uma base nitrogenada). A orientação das ligações entre as três moléculas constituintes dos nucleotídeos é essencial para se determinar o sentido da fita de DNA. A ligação entre a base e a pentose é feita covalentemente através de uma ligação N-glicosídica com a hidroxila ligada ao C1' da pentose. Já a ligação entre o fosfato e a pentose é feita através de uma ligação fosfodiéster com a hidroxila ligada ao C5' da pentose. Veja a Figura 4.

Figura 5: Estrutura básica da dupla fita de DNA. A base adenina (A) se liga co a timina (T) através de duas pontes de hidrogênio, enquanto que a citosina (C) se liga com a guanina (G) através de três pontes de hidrogênio.

Para a formação da molécula de DNA é necessário que ocorra a ligação entre os nucleotídeos. Eles estão ligados covalentemente por ligações fosfodiéster formando entre si pontes de fosfato. O grupo hidroxila do C3' da pentose do primeiro nucleotídeo se liga ao grupo fosfato ligado a hidroxila do C5' da pentose do segundo nucleotídeo através de uma ligação fosfodiéster.

Devido a esta formação a cadeia de DNA fica com uma direção determinada. Em uma extemidade temos livre a hidroxila do C5' da primeira pentose e na outra temos livre a hidroxila do C3' da última pentose. Isto determina que o crescimento do DNA se faça na direção de 5' para 3'. Veja a figura 6.

Figura 6: Direção da formação de cadeia de DNA

As bases nitrogenadas estão localizadas na parte interna da molécula (devido a sua característica hidrofóbica). O pareamento das bases de cada fita se dá de maneira padronizada, sendo possível apenas a ligação entre A--T e C--G pela formação de pontes de hidrogênio entre as bases. Adenina forma duas pontes de hidrogênio com a timina e a citosina forma três pontes de hidrogênio com a guanina. Veja a figura 5.

Replicação do DNA é o processo de auto-duplicação do mateiral genético de um organismo vivo mantendo assim o padrão de herança ao longo das gerações. Para que a replicação se inicie é necessário que a enzima DNA helicase ligue-se à cadeia de DNA e deslize sobre esta, quebrando as ligações (pontes de hidrogênio, Figura 5) entre as duas cadeias de nucleotídeos, ficando então as duas cadeias de DNA separadas. Também, em altas temperaturas ou pH extremos o DNA sofre desnaturação isto porque ocorre ruptura das pontes de hidrogênio entre os pares de bases. Em seguida liga-se às cadeias de DNA, já separadas, uma enzima chamada RNA primase que vai sintetizar um primer. Logo após, a enzima DNA polimerase vai continuar o processo de sintetização onde os nucleotídeos livres ligam-se, por complementaridade de bases, às cadeias de DNA. De uma cadeia original de DNA formam-se duas novas.