DNA vs RNA
Por que o DNA, e não o RNA, é responsável pelo armazenamento de informação genética? Esta é uma das questões mais fundamentais em genética. Dentro das células há diversos tipos de nucleotídeos, como a ribose, um tipo de açúcar. Dentro da Biologia evolutiva e da bioquímica há uma grande escola de pensamento que acredita que os ácidos ribonucleico vieram antes ácidos desoxirribonucleico, no chamado RNA-World (Prakash, 2009).
Esta hipótese científica defende que antes das células modernas, o RNA era o material genético que catalisava as reações químicas nas células primitivas. Somente mais tarde na história da vida é que o DNA tornou-se o material genético responsável por carregar através das gerações as informações genéticas para funções fisiológicas e metabólicas básicas. Essa hipótese é reforçada pelo pareamento complementar dos nucleotídeos que promove uma cópia exata de uma seqüência, graças a complementaridade das bases, onde uma seqüência serve de molde para a outra. Outras evidências podem ser encontradas na homologia entre RNA e DNA polimerases, enzimas que polimerizam a molécula responsável pela hereditariedade; ela descoberta das ribozimas, moléculas de RNA que possuem atividade catalítica e participam de importantes funções metabólicas nas células modernas; e também pelos viróides/virusóides, agentes infecciosos de plantas que consistem em um RNA pequeno de cerca de 200 nucleotídeos, circular, fita simples, não codificante que, através da maquinaria de transcrição da célula hospedeira, é capaz de se autorreplicar. Por isso, as ribozimas, os viroides e os virusóides são considerados “fósseis moleculares” do Mundo do RNA (White, 1976)
Há ainda uma hipótese de um mundo “pré-Mundo do RNA” e a transição para o Mundo do RNA que pode ter se dado através da síntese de um RNA utilizando-se polímeros tanto como fita-molde, quanto catalisador. Experimentos em laboratório mostraram que o PNA (Acido nucleico peptídico) pode atuar como uma fita-molde para a síntese de RNA porque a geometria das bases das duas moléculas são bastante semelhantes. A partir da primeira molécula de RNA, outras foram sendo geradas e se diversificaram gradualmente, até conseguir carregar as funções que anteriormente eram dos polímeros pré-RNA e formar o Mundo do RNA (Orgel, 2000). Posteriormente originou DNA por algum motivo que avaliaremos a partir do que a bioquímica tem de concreto.
O DNA (ácido desoxirribonucléico) é uma forma de armazenamento estável de informação genética. O DNA é pelo menos 100 vezes mais estável do que o RNA (ácido ribonucléico).
O DNA é uma molécula de armazenamento de informação genética modelado por bilhões de anos de evolução molecular armazenado de forma estável no núcleo da célula. No entanto, as moléculas químicas tem um certo grau de instabilidade e frequentemente com o tempo tendem a entrar em desagregação.Entretanto, as moléculas de DNA tentam manter-se estável (Prakash, 2009). O DNA é pelo menos 100 vezes mais estável do que o RNA (ácido ribonucléico). A remoção do grupo 2′-hidroxilo de RNA para formar o DNA de uma cadeia principal que é menos susceptível a clivagem por hidrólise permite um armazenamento mais estável de informação genética (Street, 2008).
Em organismos modernos (com exceção de alguns vírus), o DNA derivado do RNA armazena informação genética. O grupo 2′-hidroxilo na unidade de ribose do esqueleto de RNA é substituído por um átomo de hidrogênio no DNA. Essa é uma das razões.
Talvez a melhor forma de estruturar essa pergunta seja: qual é a vantagem seletiva de DNA sobre o RNA como material genético?
O material genético deve ser extremamente estável, de modo que as informações de sequência pode ser transmitida de geração em geração, sem degradação. O RNA em si é uma molécula extremamente estável; com cargas negativas na sua “coluna vertebral“ formada por açúcares e fosfatos, protegendo-o da atuação de íons de hidróxido que levariam a clivagem hidrolítica. No entanto, o grupo 2′-hidroxilo faz com que a RNA se torne susceptível hidrólise catalisada por base. A remoção do grupo 2′-hidroxilo da ribose diminui a taxa da hidrólise em cerca de 100 vezes em condições neutras, e talvez ainda mais sob condições extremas. Assim, a conversão do material genético do RNA no DNA teria aumentado substancialmente a sua estabilidade química.
Os pares de bases de Watson-Crick. adenina se liga com timina (AT), e guanina com citosina (GC). As linhas tracejadas representam as ligações de hidrogênio. As estruturas covalentes de DNA e de RNA diferem de um outro modo.
A transição evolucionária de RNA para DNA, se condensa na biossíntese de DNA em organismos modernos. Em todos os casos, os blocos de construção para a síntese de DNA são sintetizados a partir dos blocos de construção correspondentes de RNA através da ação de enzimas denominadas ribonucleotides redutases. Estas enzimas convertem ribonucleotídeos (uma de base e os grupos de fosfato ligados a uma ribose) em um desoxirribonucleótidos (uma base de fosfatos e ligadas ao açúcar desoxirribose) (Street, 2008).
Considerando que o RNA contém a uracila com timina, no DNA contém um derivado de uracila metilada. Esta modificação também serve para proteger a integridade da sequência genética, de uma forma menos direta.
O grupo metila presente em timina facilita a reparação do DNA danificado, proporcionando uma vantagem seletiva adicional. A Presença de timina em vez de uracila no DNA permite a reparação da citosina.
A única diferença entre eles é um grupo de metila em timina (no DNA) localizado no átomo de hidrogênio C-5 da uracila (no RNA).
Mas então, por que uma base metilada esta empregada em DNA e não no RNA?
A existência de um sistema de reparo do ativo para corrigir a desaminação da citosina fornece uma solução convincente para este enigma. A citosina no DNA desamina espontaneamente a uma taxa perceptível para formar uracila. A desaminação da citosina é potencialmente mutagênica porque uracila se emparelha com a adenina, e por isso uma das fitas filha irá conter um par de bases UA em vez do original par de base GC.
Esta mutação é impedida por um sistema de reparação que reconhece a uracila como sendo externa ao DNA.
Esta enzima Uracil DNA glicosilase é homóloga de Alka (sigla de Glicosilases de DNA), uma família de enzimas envolvidas na reparação de excisão de base. A enzima hidrolisa a ligação glicosídica entre as proporções de desoxirribose e uracila, mas não ataca os nucleotídeos que contem timina. O sitio AP gerado é reparado para reinserir a citosina. Assim, o grupo metil em timina é uma marca que distingue timina da citosina desaminada.
Se as timinas não fossem utilizadas em DNA, a uracila corretamente no lugar seria indistinguível de uracila formada por desaminação.
O defeito persistiria despercebido, e então o par de bases CG necessariamente teria de ser mutado para UA em uma das moléculas de DNA filha.
Esta mutação acaba sendo impedida por um sistema de reparo que procura deixar sozinhas a uracil e a timina.
Timina é usada em vez da uracila no DNA para aumentar a fidelidade da mensagem genética. Em contraste, o RNA não é reparado, e então a uracila é usada em RNA, pois é um bloco de construção mais “barato” (Street, 2008).
Outra vantagem no DNA é que ao apresentar uma cadeia dupla, tem relativamente pequenas ranhuras em oposição aos sulcos maiores em moléculas de RNA. Isso proporciona um amplo espaço de encaixe para enzimas prejudiciais. O emparelhamento de bases tem pouca relação com a estabilidade de uma molécula sobre a outra. DNA tem dois tipos de pareamento de bases: A e T se ligam por pontes duplas de hidrogênio, e GC formam pontes triplas de hidrogênio.
Um teste adicional da estabilidade do DNA ao longo do RNA é se misturar o RNA em uma solução diluída de NaOH, que vai destruir completamente a molécula à temperatura ambiente, enquanto que o DNA não é afetado (Prakash, 2009).
Embora o DNA tenha substituído o RNA na função de armazenar a informação genética, o RNA é mantido em muitas outras funções. RNA ainda fornece o modelo que dirige a síntese de polipeptideos, moléculas adaptadoras, a atividade catalítica dos ribossomos, e outras funções. Assim, a mensagem genética seja transcrita a partir do DNA em RNA e, em seguida traduzido em proteína.
Esse fluxo de informações da seqüência do DNA para o RNA à proteína se aplica a todos os organismos modernos (com pequenas exceções para certos vírus).
Leia mais sobre o assunto em:
RNA CONTROLA SPLICING DURANTE EXPRESSÃO GÊNICA – MAIS UMA EVIDÊNCIA DO “RNA WORLD” NA ORIGEM DA VIDA
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Victor Rossetti
Palavras chave: NetNture, Rossetti, DNA, RNA, Adenina, Guanina, Timina, Uracila, Citosina, Metilado, RNA-World, Biologia molecular
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Referências bibliográficas
Chris Street. Why is DNA (and not RNA) a stable storage form for genetic information? Biochemistry Revisited. 26th January 2008
Orgel, Leslie (November 2000). “A Simpler Nucleic Acid“. Science 290 (5495): 1306–7.
Rishi Prakash. DNA Structure Is More Stable Than RNA Structure. 10/19/2009
White, HB III (1976). “Coenzymes as Fossils of an Earlier Metabolic State”. J Mol Evol 7 (2): 101–104.
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