Em grande parte, a bioquímica lida com estruturas químicas e com funções e interações entre macromoléculas biológicas, tais como proteínas, hidratos de carbono, lípidos, ou ácidos nucleicos. Os ácidos nucleicos, assim chamados devido à sua prevalência no núcleo celular, são o nome genérico de uma família de biopolímeros, ou macromoléculas bioquímicas, que podem transmitir informação genética em todas as células vivas e em vírus. Os ácidos nucleicos mais comuns são o ácido desoxiribonucleico (ADN) e o ácido ribonucleico (ARN).
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O ADN é uma molécula complexa que contém toda a informação necessária para desenvolver e manter um organismo vivo. Todos os seres vivos têm ADN nas suas células. De facto, quase todas as células de um dado organismo multicelular possuem o conjunto total de ADN necessário para esse organismo. No entanto, o ADN faz mais do que especificar a estrutura e funções dos organismos vivos – também serve de unidade básica de hereditariedade em organismos de todos os tipos. Por outras palavras, quando os organismos se reproduzem, uma parte do seu ADN é transmitido aos seus “descendentes”. Esta transmissão de ADN ajuda a garantir um certo grau de continuidade de uma geração para a seguinte, permitindo simultaneamente ligeiras modificações que contribuem para a diversidade da vida.
Sendo macromoléculas bioquímicas, o ADN e o ARN são formados por junção de moléculas mais pequenas, semelhantes entre si, que se agregam umas às outras formando cadeias longas (Fig. 2.2). Essas moléculas menores são chamadas nucleótidos e cada uma consiste de três componentes: uma base heterocíclica de azoto (uma purina ou uma pirimidina), um açúcar pentose e um grupo fosfato (Fig. 2.2 a)). O grupo fosfato e o açúcar de cada nucleótido ligam-se entre si para formar a estrutura/cadeia do ácido nucleico, enquanto que a sequência de bases de azoto armazena a informação genética (Fig. 2.2b)). As bases de azoto são a adenina, a citosina, a guanina, a timina e o uracilo. Estas bases de azoto de uma cadeia de ácido nucleico formam ligações com outras bases de azoto de uma cadeia complementar de ácido nucleico (tal como um fecho éclair, (Fig. 2.2 b). No ADN a adenina liga-se à timina e a citosina liga-se à guanina. A ordem destas bases na cadeia constitui a sequência do ADN que codifica a chamada “impressão digital genética” de um organismo. Assim, o código genético é uma sequência de bases na cadeia de ácido nucleico e equivale a uma linguagem escrita num código de 4 letras, A, G, C e T. Toda a informação genética sobre todas as características de um ser vivo está codificada nos seus cromossomas com um código que tem apenas estes 4 símbolos.
Um cromossoma é uma única, longa molécula de ADN, ou seja, uma estrutura altamente organizada que armazena informação genética nos organismos vivos. Pequenas secções do cromossoma que contêm informação genética, chamadas
15 genes, codificam a informação relativa ao ARN e às moléculas de proteínas necessárias a um organismo e são passados de geração em geração no processo de reprodução.
a) b)
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O ADN foi descoberto em 1868 quando o jovem físico suíço Friedrich Miescher isolou um composto do núcleo das células brancas do sangue. Este composto não era um hidrato de carbono, nem uma proteína, nem um lípido e, por isso, constituía um novo tipo de molécula biológica que Miescher denominou de “nucleína”, dado ter sido isolada a partir de núcleos de células. Hoje em dia, essa molécula chama-se ADN. Praticamente todas as células de um dado organismo vivo contêm exatamente o mesmo ADN. Em 1953, Francis Crick e James Watson descreveram a forma molecular do ADN como uma “hélice dupla”. O ADN de cadeia dupla é composto de duas cadeias lineares que podem torcer-se em conjunto para formar a hélice dupla e, assim, a estrutura do ADN também pode ser descrita como uma escada de corda torcida (Fig. 2.3). A estrutura química da 3 http://www.shmoop.com/biomolecules/nucleic-acids.html Açúcar desoxirribose Açúcar desoxirribose fosfato fosfato Açúcar Açúcar
Figura 2.2 - a) Estrutura de um nucleótido b) Formação da cadeia dupla de ADN (adaptado de Shmoop-nucleic acids3).
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escada é feita de moléculas de açúcar e fosfato que se ligam por meio de ligações químicas (Figs. 2.2 e 2.3). Os degraus da escada são pares de unidades formadas entre A e T ou entre C e G (Fig 2.3). Estes pares são chamados pares de bases e ligam a duas estruturas de açúcar-fosfato através de ligações de hidrogénio (Fig. 2.3).
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O ácido ribonucleico (ARN) difere do ADN, porque ao nível da estrutura nucleotídica, em vez da base timina tem a base uracilo, e ao nível da macroestrutura é constituído por apenas uma cadeia simples e não dupla (Fig. 2.4). Ao nível funcional, estas macromoléculas também são diferentes: as macromoléculas de ADN armazenam a informação genética e as macromoléculas de ARN têm diversos papéis, como, por exemplo, a tradução da informação genética em mecanismos de síntese de proteínas ou o transporte de aminoácidos para os locais da célula onde é feita a síntese de proteínas (ribossomas).
4 http://www.nature.com/scitable/topicpage/Discovery-of-DNA-Structure-and-Function-Watson-397 Estrutura de açúcar-fosfato Estrutura de açúcar-fosfato Fósforo Fósforo Carbono na estrutura de açúcar-fosfato Carbono na estrutura de açúcar-fosfato Hidrogénio Hidrogénio Oxigénio OxigénioBases Bases
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Como se disse acima, o ADN é como que uma “impressão digital genética”, ou seja, cada indivíduo, seja um ser humano, uma planta, um animal ou qualquer microrganismo, tem um conjunto de moléculas de ADN/cromossomas único e diferente do de todos os outros indivíduos da mesma, ou de outra, espécie biológica. No entanto, entre indivíduos da mesma espécie biológica há muitas secções de ADN (isto é, sequências de bases do ADN/cromossomas) que são comuns. Em princípio, quanto mais semelhantes forem duas espécies biológicas, mais semelhanças haverá entre o ADN de dois indivíduos dessas espécies. Assim, por exemplo, entre o Homem e os primatas há mais semelhanças de ADN do que entre o Homem e os répteis. Por outro lado, há sequências de
5 http://doctorjuanmadrid.com/duplicacion-del-adn-como-pasa-la-informacion-una-celula-a-sus-
celulas-hijas/
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ADN/cromossomas e de ARN que são específicas de cada espécie biológica, isto é, estão presentes em todos os indivíduos dessa espécie e não em indivíduos de outras espécies. São essas sequências de ADN ou ARN específicas que permitem identificar uma espécie biológica ao nível cromossómico. Esta possibilidade é especialmente útil na identificação de grupos ou espécies de microrganismos difíceis de identificar e quantificar utilizando os métodos clássicos de microscopia ou as técnicas de cultivo em laboratório.
No caso das ETAR, é útil a monitorização das espécies microbiológicas que compõem a população responsável pela degradação biológica dos poluentes e eventualmente pela sua transformação em produtos de valor acrescentado, como o metano, ácidos voláteis ou bioplásticos, para citar apenas alguns exemplos.