Autor: Davi Maricato
Nessa aula do Curso NOIC de Química Orgânica, abordaremos ácidos nucleicos, as macromoléculas orgânicas responsáveis pelo armazenamento, transmissão e expressão da informação genética em todos os seres vivos. Estruturalmente, eles são polímeros formados pela repetição de unidades monoméricas chamadas nucleotídeos, unidos entre si por ligações fosfodiéster. Existem dois tipos principais de ácidos nucleicos: o ácido desoxirribonucleico (DNA) e o ácido ribonucleico (RNA), que são distintos entre si tanto na composição química quanto na função biológica, como veremos adiante.
Composição Molecular
Cada nucleotídeo é composto por três partes distintas:
- Um grupo fosfato (PO₄³⁻);
- Uma pentose (açúcar de cinco carbonos): desoxirribose no DNA, ribose no RNA;
- Uma base nitrogenada, que pode ser púrica ou pirimídica.
A associação entre a base nitrogenada e a pentose, sem o grupo fosfato, recebe o nome de nucleosídeo. Ao adicionarmos um ou mais grupos fosfato ao carbono 5′ da pentose, obtemos um nucleotídeo propriamente dito (nucleosídeo monofosfato, difosfato ou trifosfato, dependendo do número de fosfatos ligados).
A numeração dos carbonos da pentose utiliza o símbolo linha (‘) para diferenciar eles dos átomos de carbono da base nitrogenada. O carbono 1′ liga-se à base nitrogenada por uma ligação N-glicosídica, enquanto o carbono 5′ é o sítio de ligação dos grupos fosfatos. O carbono 3′, por sua vez, é o ponto de ligação com o próximo nucleotídeo da cadeia, através de uma ligação fosfodiéster, formada por uma reação de condensação (com liberação de água) entre a hidroxila 3′ de um nucleotídeo e o grupo fosfato ligado ao carbono 5’ do nucleotídeo seguinte.
A repetição dessas ligações fosfodiéster ao longo da cadeia gera um esqueleto (denominado backbone) de açúcar-fosfato, que é quimicamente invariável e comum a todos os nucleotídeos de um mesmo ácido nucleico. Desse modo, a variabilidade da molécula está exclusivamente na sequência das bases nitrogenadas que se projetam lateralmente a partir desse esqueleto.
Como consequência da direção da ligação fosfodiéster, toda cadeia de ácido nucleico possui polaridade química, nesse caso, duas extremidades distintas:
- Uma extremidade 5’, que apresenta um grupo fosfato livre.
- Uma extremidade 3’, que apresenta uma hidroxila livre.
Essa polaridade tem implicações fundamentais nos processos de replicação, transcrição e tradução, que ocorrem sempre em sentido 5′ para 3′.
Purinas e Pirimidinas
As bases nitrogenadas dos ácidos nucleicos são compostos heterocíclicos aromáticos, classificados em duas famílias com base no número de anéis presentes em sua estrutura:
- Purinas: possuem estrutura bicíclica, formada pela fusão de um anel de seis membros a um anel de cinco membros, ambos contendo átomos de nitrogênio. A adenina (A) e a guanina (G), presentes tanto no DNA quanto no RNA, são purinas.
- Pirimidinas: possuem estrutura monocíclica, com um único anel de seis membros contendo dois átomos de nitrogênio. A citosina (C), a timina (T) e a uracila (U) são pirimidinas
| Base | Classificação | Presente em |
| Adenina (A) | Purina | DNA e RNA |
| Guanina (G) | Purina | DNA e RNA |
| Citosina (C) | Pirimidina | DNA e RNA |
| Timina (T) | Pirimidina | DNA |
| Uracila (U) | Pirimidina | RNA |
Do ponto de vista químico, é essa diferença estrutural (o tamanho do anel e distribuição dos átomos de nitrogênio) que determina a especificidade do pareamento entre as bases, isto é, uma purina sempre pareia com uma pirimidina complementar através de pontes de hidrogênio, nunca purina com purina (o que geraria um par excessivamente volumoso e distorceria a geometria da hélice) nem pirimidina com pirimidina (por ser um par excessivamente curto, que impediria a formação de pontes de hidrogênio estáveis entre as fitas).
No pareamento canônico, a adenina (A) pareia com timina (T) (ou uracila no RNA) através de duas pontes de hidrogênio, e a guanina (G) pareia com citosina (C) através de três pontes de hidrogênio.
Essa diferença no número de pontes de hidrogênio tem também uma consequência termodinâmica, uma vez que regiões do DNA ricas em pares G-C são mais estáveis e possuem maior temperatura de desnaturação do que regiões ricas em pares A-T, já que mais ligações de hidrogênio precisam ser rompidas para separar as fitas.
Uracila e Timina
Uma pergunta comum e pertinente quando se aprende sobre ácidos nucleicos é: por que o RNA utiliza uracila (U), enquanto o DNA utiliza timina (T)?
A resposta se relaciona com a estabilidade e o reparo do material genético. A citosina é uma base quimicamente instável e sofre, com certa frequência, um processo espontâneo de desaminação hidrolítica, no qual seu grupo amino (-NH₂) é substituído por uma carbonila, convertendo-a diretamente em uracila.
Se o DNA utilizasse naturalmente a uracila como uma de suas bases regulares, a célula não teria como distinguir uma uracila “correta” (parte original da sequência) de uma uracila proveniente de um erro de desaminação da citosina, o que impediria os sistemas de reparo de identificar e corrigir a mutação. Ao utilizar timina (uracila metilada) como sua base regular, o DNA sinaliza a uracila como um sinal de erro, e enzimas de reparo, como a uracil-DNA glicosilase, reconhecem qualquer uracila presente no DNA como uma base incorreta, removendo-a e permitindo que o sistema de reparo por excisão de base restitua a citosina correta.
Em outras palavras, a metilação da uracila em timina no DNA funciona como uma estratégia de correção de erros baseada na diferenciação química. Já o RNA, por ser uma molécula de vida útil curta, produzida em múltiplas cópias e não destinada à propagação hereditária de longo prazo como o DNA, não precisa desse mecanismo adicional de proteção, o que torna dispensável, de um ponto de vista evolutivo, o gasto energético de metilar a uracila em suas moléculas.
Diferenças Estruturais entre RNA e DNA
Embora o DNA e o RNA compartilhem o mesmo tipo de esqueleto açúcar-fosfato e o mesmo sistema geral de bases nitrogenadas complementares, ambos apresentam diferenças estruturais que impactam diretamente sua estabilidade química.
Primeiro, há uma diferença na pentose. O DNA contém desoxirribose, enquanto o RNA contém ribose. A diferença entre essas duas moléculas está unicamente no carbono 2′ da pentose. A ribose possui uma hidroxila (-OH) nesse carbono, enquanto a desoxirribose possui apenas um átomo de hidrogênio (de onde vem o prefixo “desoxi”, indicando a ausência de um oxigênio presente na molécula original). Na figura abaixo, as esferas de cor cinza escuro são carbonos, as cinza claro átomos de hidrogênio e as vermelhas átomos de oxigênio.
Essa hidroxila extra no carbono 2′ da ribose torna o RNA consideravelmente menos estável que o DNA, pois pode atuar como um nucleófilo interno em condições básicas ou na presença de certos íons metálicos, atacando o fósforo adjacente da ligação fosfodiéster e promovendo sua clivagem (hidrólise). Esse mecanismo, conhecido como transesterificação intramolecular, é responsável pela degradação espontânea e relativamente rápida das moléculas de RNA, em contraste com o DNA, que, por não possuir essa hidroxila reativa, é uma molécula quimicamente mais robusta e adequada ao armazenamento de longo prazo da informação genética.
Também há uma diferença estrutural entre a fita simples do RNA e a fita dupla do DNA. O DNA normalmente existe como uma dupla hélice, isto é, duas fitas de polinucleotídeos entrelaçadas e mantidas unidas por pontes de hidrogênio entre bases complementares, dispostas de maneira antiparalela (uma fita no sentido 5′-3′ e a outra no sentido 3′-5′). Já o RNA é, em geral, uma molécula de fita simples, ainda que possa formar estruturas secundárias complexas (como grampos e alças) através de pareamento intramolecular entre regiões complementares da própria molécula.
Essa diferença conformacional também contribui para a maior estabilidade do DNA. Por ser uma fita dupla, o DNA protege as bases nitrogenadas (quimicamente mais suscetíveis a modificações e reações de oxidação) no interior da hélice, enquanto o esqueleto açúcar-fosfato, mais estável, permanece exposto na parte externa.
Dupla Hélice do DNA
Na dupla hélice, os dois esqueletos de açúcar-fosfato ficam voltados para o exterior da molécula, enquanto as bases nitrogenadas ficam voltadas para o interior, pareadas entre si por pontes de hidrogênio, conforme discutido anteriormente. A disposição espacial resultante gera duas fendas de tamanhos distintos ao longo da hélice, o sulco maior e o sulco menor, que servem como sítios de reconhecimento para proteínas que regulam a expressão gênica, como fatores de transcrição.
Como o pareamento de bases é sempre complementar e específico (A-T e G-C), conhecer a sequência de uma das fitas permite a dedução da sequência da fita oposta. Essa propriedade é a base química da capacidade do DNA de ser fielmente replicado. Durante a replicação, as duas fitas se separam e cada uma delas serve como molde (template) para a síntese de uma nova fita complementar, gerando duas moléculas de DNA idênticas à original.
Modificações Epigenéticas (Acetilação e Metilação)
A expressão de um gene não depende apenas de sua sequência de bases, mas também da acessibilidade física desse gene à maquinaria de transcrição (RNA polimerase e os fatores de transcrição). Como o DNA se encontra fortemente associado às histonas na forma de nucleossomos, modificações químicas nessas histonas, ou diretamente no DNA, podem alterar significativamente essa acessibilidade, ativando ou reprimindo a expressão gênica sem alterar a sequência de bases propriamente dita. Esse conjunto de mecanismos é estudado pela epigenética.
Na acetilação de histonas, as enzimas chamadas histona acetiltransferases (HATs) adicionam grupos acetil (proveniente da acetil-CoA) aos resíduos de lisina (um aminoácido essencial) presentes nas caudas N-terminais das histonas. Essa reação neutraliza a carga positiva da lisina, enfraquecendo a interação eletrostática entre a histona e o DNA (que é carregado negativamente). Como consequência, a cromatina irá assumir uma conformação mais “relaxada” (eucromatina), tornando o DNA mais acessível à maquinaria transcricional e, de modo geral, favorecendo a expressão gênica.
O processo inverso (a remoção do grupo acetil) é catalisado por enzimas chamadas histona desacetilases (HDACs), que restauram a carga positiva da lisina, fortalecem a interação histona-DNA e promovem a condensação da cromatina em heterocromatina, geralmente reprimindo a expressão gênica.
A metilação do DNA, diferentemente da acetilação, que ocorre nas histonas, ocorrerá no contexto do DNA propriamente dito (diretamente sobre a molécula). Essa reação é catalisada por enzimas chamadas DNA metiltransferases (DNMTs), utilizando S-adenosilmetionina (SAM) como doador do grupo metil.
A metilação do DNA em regiões promotoras de genes está, de forma geral, associada à repressão da expressão gênica, e ela pode ocorrer por dois mecanismos principais. No primeiro, o grupo metil adicionado pode interferir estericamente na ligação de fatores de transcrição à região promotora. No segundo, a metilação do DNA “recruta” proteínas específicas (como proteínas de ligação a DNA metilado) que, por sua vez, “recrutam” histona desacetilases (HDACs, como comentado anteriormente), promovendo a condensação da cromatina na região.
Essas modificações são reversíveis e podem ser influenciadas por fatores ambientais, nutricionais e comportamentais ao longo da vida de um organismo, sendo um dos principais objetos de estudo da epigenética contemporânea, como no contexto de doenças como o câncer.