Ácidos Nucleicos

      O que difere a composição da molécula de DNA (ácido deoxiribonucleico) em relação à de RNA (ácido ribonucleico) reside em dois aspectos principais. O primeiro tange à cobertura de seus cinco monômeros constituintes, denominados por bases heterocíclicas, se adenina ou guanina, em conjunto formando as purinas, ou citosina, timina e uracila, em conjunto formando as pirimidinas. No RNA a uracila substitui a timina do DNA.

      A combinação de bases com uma molécula de ribose e de fosfato inorgânico dá origem aos nucleosídios. . Exemplificando para a adenosina, uma base heterocíclica nitrogenada em ligação N-glicosídica com a hidroxila ligada ao carbono-1 de uma ribose (RNA, presença de grupo -OH em C-2) ou desoxiribose (DNA) esterificada a um grupo fosfato. Da mesma forma, originam-se a guanosina, citidina, timidina, e uridina.

      Reunindo-se nucleosídios interligados, a estrutura do biopolímero (DNA ou RNA) será formada pela ligação fosfoéster entre a hidroxila ligada ao C5 da pentose e o C3 da próxima pentose. A estrutura polimérica dos ácidos nucleicos de fita dupla é também mantida por pareamento de ligações de hidrogênio entre G e C (três ligações) e entre A e T (duas ligações), como segue.

B-DNA

      Para o estudo do biopolímero, baixe e carregue o modelo de um dodecanucleotídio de B-DNA no JSmol/Jmol. Retire a água e apresente a sequência de nucleotídios da fita dupla de DNA:

delete water
show sequence

      Agora represente-o como espaço preenchido somente, e identifique as fitas em separado:

spacefill only
select :A; color red;select: B; color blue

      Continuando, visualize o interior da dupla fita e observe o empilhamento dos pares de bases de DNA:

select all;wireframe only;wireframe 50
select sidechain;color magenta;select backbone;color blue

      Note também que os pares de bases encontram-se num plano horizontal, e também perpendicular ao eixo da hélice. Observe a proximidade das interações de van der Waals:

dots on

      Restrinja a visualização a um par de base somente, amplie-o e observe que as bases induzem a leve torção da hélice, importante à estrutura do DNA, embora não identificável no modelo de Watson-Crick.

restrict 8 or 7
zoom 0

      Observe também os resíduos de ribose, e veja que o plano dos resíduos é perpendicular ao eixo da hélice, sem coplanaridade desses.

select backbone;color cpk

      Qual átomo do anel de furanose repousa acima e abaixo de seu plano ? Para isso, gire a molécula de modo que os grupos fosfato da estrutura fiquem à esquerda, e o plano do anel de furanose ligeiramente deitado. Observe que há ligação de grupos fostato abaixo em C3’, bem como acima, em C5’, formando uma ligação fosfodiéster 3’-5’.

      Para visualizar as ligações de hidrogênio de um único par de bases, rotacione o modelo após os comandos que seguem.

restrict 8 or 17
zoom 0
calculate hbonds

      E para visualizar as ligações de hidrogênio de toda a estrutura:

select all;
wireframe only;
wireframe 40;
zoom 0;
calculate hbonds

       Observe que essa visualização nos permite certificar estabilidade da dupla fita de DNA corroborada por suas ligações de H além do empilhamento de bases (hidrofóbico)\index{empilhamento de bases.

Fendas do DNA

      Inspecione as fendas do DNA. Veja que as fendas maior e menor são definidas no plano do papel de forma didática, a partir da sobreposição das duas fitas (ponto de torção). Para isso, posicione a dupla hélice perpendicularmente e rotacione-a, para perceber que esse ponto de torção “caminha” pela estrutura:

select all;
trace only;
spin 10

      Por definição, a fenda maior está sempre ao lado dos pares de bases, enquanto que a fenda menor está sempre ao lado das furanoses.

A-DNA

      Baixe e carregue no Jmol/JSmol o modelo de A-DNA. Visualize fita simples desse DNA:

delete water;
select all;
wireframe only; 
wireframe 70

      Identifique as bases e as riboses:

select sidechain;
color magenta;
select backbone; 
color lightblue

      Agora observe a molécula de A-DNA vista de cima, girando a imagem ou digitando:

rotate x 90 # rotação de 90 graus no eixo X

      Veja que há um canal no interior da molécula, e que não está presente na estrutura de B-DNA.

Z-DNA

      Baixe e carregue no JSmol/Jmol a estrutura do Z-DNA. Trata-se de uma construção biológica contendo Z-DNA, uma estrutura caracteristicamente rica em pares GC. Para evidenciar o Z-DNA somente:

restrict dna;
show sequence;
wireframe only; 
wireframe 40

      Gire a molécula e observe que a dupla fita é formada por um hexanucleotídio (GC)\(_{3}\).

      Observe também a intercalação dos nucleosídios de citidinas e guanosinas na estrutura:

select g:A; color red; 
select c:A; color blue

      O termo Z-DNA provém do aspecto em zigue-zague da orientação das riboses. Observe que a partir de uma ribose em azul (embaixo), a ligação fosfodiéster surge à esquerda do átomo de fósforo, subindo para a outra molécula de ribose em vermelho, o conjunto formando o aspecto em zigue-zague.

Interação de ácidos nucleicos com ligantes

      A formação de complexos de ácidos nucleicos-ligantes será ilustrada pela interação de uma dupla fita de RNA com etídio, utilizando-se o código DRB018. Como é possível perceber, trata-se de identificação externa ao PDB. Para carregar essa estrutura, você pode visitar o sítio Nucleic Acids Database. Mas também pode carregar a estrutura a partir do complexo ligante-ácido nucleico.

      Se no sítio Nucleic Acids Database, entre com o código DRB018 na janela de busca. Baixe o arquivo de coordenadas resultante no canto inferior da janela, em “Assymetric Unit coordinates”. O arquivo, em atributo gz, pode ser aberto no Jmol.

      Carregue então o arquivo e renderize-o adequadamente:

delete water;
select all;
wireframe only;
wireframe 70

      Agora rotacione a molécula e perceba sua intercalação entre o empilhamento de bases da dupla fita do RNA.

Nucleossomo

      Carregue o modelo 1aoi no Jmol/JSmol. Trata-se da partícula central de um nucleossomo composto por um octâmero de histonas envolto em duas voltas superhelicais de dupla fita de DNA.

      Identifique melhor as estruturas contidas no nucleossomo, separando a parte proteica da nucleica, e gire o complexo para observar suas características (envoltório da interação DNA-proteína).

select protein;cartoon only;color structure
select nucleic;wireframe only;color cpk

      Histonas interagem com o DNA principalmente por interações eletrostáticas com os grupos fosfato desse. Para visualizar essa interação:

select protein;backbone only;color lightgrey; 
select positive; wireframe 80;color green

RNA transportador

      Assim como proteínas, o RNA transportador também possui estruturas primária, secundária e terciária, evidenciadas pela primeira vez a partir de difratometria de raios-X em 1972. Para aprender um pouco mais, baixe e carregue o modelo t-RNA, e gire a estrutura para perceber seu formato tridimensional em “L” (ou de trevo, como mencionado nos livros). Amplie e renderize a estrutura, esquematize a coloração partindo do terminal 5’ azul para o 3’ vermelho, gire a estrutura e perceba o caráter helical do tRNA:

delete water;trace only;color group
zoom 0; zoom 200;wireframe only;wireframe 70

      Posicione as extremidades à direita (terminais 5’e 3’ ), e observe os loops formadores da estrutura secundária, o loop anticódon (abaixo), o loop D à esquerda e os loops T e C à direita.

      Mais especificamente, digite os comandos abaixo para visualizar melhor os loops:

select 44-48;color red # loop variável
select 10-13 or 22-25;color yellow # haste D

      Agora observe o paralelismo e empilhamento das bases ao longo das hastes do t-RNA:

wireframe only;
wireframe 80;
select backbone;
wireframe

      Selecione também os resíduos dos três anticódons para Phe do t-RNA por:

select 36-38; color red

      A estrutura do t-RNA é mantida estável principalmente pelo pareamento de Watson-Crick das bases, bem como por ligações de H. Para observar isso:

select all;
color structure;
calculate hbonds;
hbonds 0.2;
color hbonds black

      A estabilidade também é reforçada por interações de H entre resíduos de ribose. Para observar isso:

select nucleic;
wireframe 80;
color green;
restrict backbone;
select(6-8,48-50);
color cpk

      Aproxime os resíduos de açúcar e perceba (por clique de mouse) que 2’-OH da ribose 7 pode formar uma ligação de H com o O no. 49 do anel do açúcar. O comprimento de uma ligação de H repousa entre 2 a 4 Angstrom.

      Para verificar o potencial de formação de uma ligação de H entre os carboidratos acima, clique com o botão direito, selecione “Measurements” (ou sua tradução, se estiver em língua pátria) e “Click for distance measurement”. Clique agora no primeiro átomo desejado (2’-OH) e depois no que tem potencial para formar o pareamento (O-49). E lembre-se que 1 nm é igual a 10 Angstrom.

      De modo geral, contribuem como ligações de H para a estabilidade do t-RNA o pareamento de base-base, base-açúcar, base-fosfato, açúcar-açúcar, e açúcar-fosfato.

      Visualize agora um pareamento de Watson-Crick, embora com os resíduos de G e C em porções não helicais do t-RNA, digitando:

select all;color lightgrey;wireframe;hbonds off # limpeza do modelo
select 19 or 56;color red

      Para observar a importância de interações de bases para a estrutura terciária do t-RNA digite:

hbonds off;backbone only;
color structure;
select 18 or 55;color orange;
wireframe 100;
hbonds on;hbonds 0.3

      O tRNA interage com transportadores de aminoácidos por tripletos de códons em sua estrutura (ou trinucleotídeos). Evidenciando o triplet GGC:

select all;hbonds off;wireframe only;
color lightgrey;select (9,13,22,46);wireframe 80;
color cpk

Ribossomos

      Para um estudo estrutural de ribossomos, baixe e carregue a subunidade 30S do ribossomo de Thermus thermophilus. Diferencie as estruturas nucleicas das proteicas:

cartoon only;select nucleic;color green;
select protein;color orange

      A estrutura representada é “mais RNA” ou “mais proteína” ? Tente visualizá-la girando o modelo por:

select all;spacefill only

      A estrutura proteica é única ? Para solucionar essa questão, gire a estrutura a partir de:

select all;select nucleic;color cpk;
select protein;color chains
spin 10

      E como enovela-se a parte nucleica ?

restric rna

      Observe o formato esférico e a característica nuclear do RNA, ao qual complexam-se as diversas proteínas formadoras da subunidade 30S.

Partícula ribossomal 70S

      Para observá-la, baixe e carregue no Jmol/JSmol o modelo da partícula 70S de Thermus thermophilus complexada a m-RNA e t-RNA. Alternativamente, pode-se baixar o arquivo original 4v42 pelo próprio Jmol. Mas observe que se tentar fazê-lo pelo Menu, Get PDB, não se obterá sucesso. Para esse modelo é necessário baixar o arquivo do sítio do PDB, em formato PDBx/mmCIF Format (gz). Isso é necessário por tratar-se de um arquivo subdividido em duas estruturas, subunidades 30S e 50S. Além dessas, o ribossomo bacteriano possui complexado um segmento hexanucleotídico de m-RNA além de três t-RNAs.

      O modelo evidencia três t-RNAs em seu interior (azul-vermelho), um vasto conjunto de proteínas (cinza escuro), e a estrutura nucleica restante (laranja). O ribossomo 70S é bastante complexo, com vários sítios, tanto para a interação com t-RNA (A, P e E) quanto para interação com subunidades proteicas. Para o quantitativo dessas, digite show info, e veja que a estrutura apresenta 49 cadeias polipeptídicas. Na parte terminal dos t-RNAs, os sítios A e P próximos definem o sítio de atividade da peptidil transferase no ribossomo.