Nucleases: características, estrutura, tipos e funções - Ciência - 2023

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As nucleases Eles são enzimas responsáveis pela degradação de ácidos nucléicos. Eles fazem isso por hidrólise das ligações fosfodiéster que mantêm os nucleotídeos unidos. Por esse motivo, são também conhecidos na literatura como fosfodiesterases. Essas enzimas são encontradas em quase todas as entidades biológicas e desempenham papéis fundamentais na replicação, reparo e outros processos do DNA.

Em geral, podemos classificá-los de acordo com o tipo de ácidos nucléicos que clivam: as nucleases cujo substrato é o RNA são chamadas de ribonucleases e as do DNA são conhecidas como desoxirribonucleases. Existem alguns não específicos capazes de degradar o DNA e o RNA.

Outra classificação amplamente utilizada depende da ação da enzima. Se fizer seu trabalho de forma progressiva, começando nas extremidades da cadeia de ácido nucléico, são chamadas de exonucleases. Em contraste, se a quebra ocorrer em um ponto interno da cadeia, elas são chamadas de endonucleases.

Atualmente, certas endonucleases são amplamente utilizadas na tecnologia de DNA recombinante em laboratórios de biologia molecular. Essas são ferramentas valiosas para a manipulação experimental de ácidos nucléicos.

Caracteristicas

As nucleases são moléculas biológicas de natureza proteica e com atividade enzimática. Eles são capazes de hidrolisar as ligações que unem os nucleotídeos nos ácidos nucléicos.

Eles agem por meio de uma catálise ácido-base geral. Essa reação pode ser dividida em três etapas fundamentais: o ataque nucleofílico, a formação de um intermediário carregado negativamente e como etapa final a quebra da ligação.

Existe um tipo de enzima chamada polimerases, responsável por catalisar a síntese tanto do DNA (na replicação) quanto do RNA (na transcrição). Alguns tipos de polimerases exibem atividade de nuclease. Como polimerases, outras enzimas relacionadas também exibem esta atividade.

Estrutura

As nucleases são um conjunto extremamente heterogêneo de enzimas, onde há pouca relação entre sua estrutura e mecanismo de ação. Ou seja, existe uma variação drástica entre a estrutura dessas enzimas, portanto não podemos citar nenhuma estrutura comum a todas elas.

Tipos

Existem vários tipos de nucleases e também diferentes sistemas para classificá-los. Neste artigo, discutiremos dois sistemas de classificação principais: de acordo com o tipo de ácido nucléico que eles degradam e de acordo com a forma como a enzima é atacada.

Se o leitor estiver interessado, ele pode procurar uma terceira classificação mais extensa com base na função de cada nuclease (ver Yang, 2011).

É necessário mencionar que também existem nucleases nesses sistemas enzimáticos que não são específicos para seu substrato e podem degradar os dois tipos de ácidos nucléicos.

De acordo com a especificidade do substrato usado

Existem dois tipos de ácidos nucléicos que são virtualmente ubíquos para os seres orgânicos: ácido desoxirribonucléico, ou DNA, e ácido ribonucléico, RNA. As enzimas específicas que quebram o DNA são chamadas de desoxirribonucleases e RNA, ribonucleases.

De acordo com a forma de ataque

Se a cadeia de ácido nucléico é atacada endoliticamente, ou seja, em regiões internas da cadeia, a enzima é chamada de endonuclease. O ataque alternativo ocorre gradualmente em uma extremidade da cadeia e as enzimas que o executam são exonucleases. A ação de cada enzima resulta em consequências diferentes.

Uma vez que as exonucleases separam os nucleotídeos passo a passo, os efeitos no substrato não são muito drásticos. Pelo contrário, a ação das endonucleases é mais pronunciada, pois podem clivar a cadeia em diferentes pontos. Este último pode alterar até mesmo a viscosidade da solução de DNA.

As exonucleases foram elementos cruciais para elucidar a natureza da ligação que mantinha os nucleotídeos unidos.

A especificidade do local de clivagem da endonuclease varia. Existem alguns tipos (como a enzima desoxirribonuclease I) que podem cortar em locais inespecíficos, gerando cortes relativamente aleatórios em relação à sequência.

Em contraste, temos endonucleases muito específicas que cortam apenas em certas sequências. Explicaremos mais tarde como os biólogos moleculares tiram proveito dessa propriedade.

Existem algumas nucleases que podem atuar como endo e exonucleases. Um exemplo disso é a chamada nuclease microcônica.

Características

As nucleases catalisam uma série de reações essenciais para a vida. A atividade da nuclease é um elemento essencial da replicação do DNA, pois auxiliam na remoção do primer ou primeiro e participar da correção de erros.

Desse modo, dois processos tão relevantes quanto a recombinação e o reparo do DNA são mediados por nucleases.

Também contribui para gerar mudanças estruturais no DNA, como topoisomerização e recombinação sítio-específica. Para que todos esses processos ocorram, é necessária uma quebra temporária da ligação fosfodiéster, realizada por nucleases.

No RNA, as nucleases também participam de processos fundamentais. Por exemplo, na maturação do mensageiro e no processamento de RNAs interferentes. Da mesma forma, estão envolvidos nos processos de morte celular programada ou apoptose.

Nos organismos unicelulares, as nucleases representam um sistema de defesa que lhes permite digerir o DNA estranho que entra na célula.

Aplicações: enzimas de restrição

Os biólogos moleculares tiram vantagem da especificidade de certas nucleases chamadas nucleases de restrição específicas. Os biólogos notaram que as bactérias eram capazes de digerir DNA estranho, introduzido por meio de técnicas de laboratório.

Investigando mais sobre esse fenômeno, os cientistas descobriram nucleases de restrição - enzimas que cortam o DNA em certas sequências de nucleotídeos. São uma espécie de "tesoura molecular" e as encontramos produzidas para venda.

O DNA bacteriano é "imune" a esse mecanismo, pois é protegido por modificações químicas nas sequências que promovem a degradação. Cada espécie e cepa de bactéria tem suas nucleases específicas.

Essas moléculas são muito úteis, pois garantem que o corte sempre será feito no mesmo local (4 a 8 nucleotídeos de comprimento). Eles são aplicados na tecnologia de DNA recombinante.

Alternativamente, em alguns procedimentos de rotina (como PCR) a presença de nucleases afeta negativamente o processo, uma vez que digerem o material que precisa ser analisado. Por este motivo, em alguns casos, é necessário aplicar inibidores dessas enzimas.

Referências

Brown, T. (2011).Introdução à genética: uma abordagem molecular. Garland Science.
Davidson, J., & Adams, R. L. P. (1980).Bioquímica dos ácidos nucléicos de Davidson. Eu inverti.
Nishino, T., & Morikawa, K. (2002). Estrutura e função das nucleases no reparo do DNA: forma, empunhadura e lâmina da tesoura de DNA.Oncogene, 21(58), 9022.
Stoddard, B. L. (2005). Estrutura e função da endonuclease de homing.Revisões trimestrais de Biofísica, 38(1), 49-95.
Yang, W. (2011). Nucleases: diversidade de estrutura, função e mecanismo.Revisões trimestrais de Biofísica, 44(1), 1-93.