O dna é ácido desoxirribonucleico

O ácido desoxirribonucleico (ADN, português, ácido desoxirribonucleico ou mais, por convenção; DNA, do inglês, deoxyribose nucleic acid), é um composto orgânico cujas moléculas contêm as instruções genéticas que coordenam o desenvolvimento e funcionamento de todos os seres vivos e alguns vírus. O seu principal papel é armazenar as informações necessárias para a construção das proteínas e ARNs. Os segmentos de ADN que são responsáveis por carregar a informação genética são denominados genes. O restante da seqüência de ADN tem importância estrutural ou está envolvido na regulação do uso da informação genética.


Características gerais


A estrutura da molécula de ADN foi descoberta conjuntamente pelo estadunidense James Watson e pelo britânico Francis Crick em 7 de Março de 1953, o que lhes valeu o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1962, juntamente com Maurice Wilkins.


Do ponto de vista químico, o ADN é um longo polímero de unidades simples (monômeros) de nucleotídeos, cujo cerne é formado por açúcares e fosfato intercalados unidos por ligações fosfodiéster. Ligadas à molécula de açúcar está uma de quatro bases nitrogenadas e é a seqüência dessas bases ao longo da molécula de ADN que carrega a informação genética. A leitura destas seqüências é feita através do código genético, o qual especifica a sequência linear dos aminoácidos das proteínas. A tradução é feita por um RNA mensageiro que copia parte da cadeia de ADN por um processo chamado transcrição e posteriormente a informação contida neste é “traduzida” em proteínas pela tradução. Embora a maioria do ARN produzido seja usado na síntese de proteínas, algum ARN tem função estrutural, como por exemplo o ARN ribossômico, que faz parte da constituição dos ribossomos.


Dentro da célula, o ADN é organizado numa estrutura chamada cromossoma e o conjunto de cromossomas de uma célula forma o cariótipo. Antes da divisão celular os cromossomas são duplicados através de um processo chamado replicação. Eucariontes como animais, plantas e fungos têm o seu ADN dentro do núcleo enquanto que procariontes como as bactérias o tem disperso no citoplasma. Dentro dos cromossomas, proteínas da cromatina como as histonas compactam e organizam o ADN. Estas estruturas compactas guiam as interacções entre o ADN e outras proteínas, ajudando a controlar que partes do ADN são transcritas.


O ADN é responsável pela transmissão das características hereditárias de cada espécie de ser vivo.



[editar] História




Ver artigo principal: Histórico do estudo do DNA


[editar] Descoberta



Friedrich Miescher

Friedrich Miescher

A história do DNA começa no final da década de 1860, com a chegada do médico suíço Friedrich Miescher (1844-1895) à Universidade de Tübingen, uma pacata cidade no sul da Alemanha. O jovem pesquisador estava disposto à dedicar-se ao estudo da química da célula e escolheu essa universidade porque nela o químico Felix Hoppe-Seyler (1825-1895) havia inaugurado um importante laboratório de química fisiológica. Na época floresciam idéias a respeito das origens e das funções das células. Há pouco tempo, a teoria da geração espontânea havia sido definitivamente desacreditada. A teoria celular estabelecia-se como um dos pilares da Biologia. Por tudo isso, as células atraíam a atenção de estudantes entusiasmados, como Miescher.


Felix Hoppe-Seyler foi quem primeiro descreveu as interações entre a hemoglobina, a proteína responsável pela cor do sangue, e o gás oxigênio. Seu trabalho levou-o a interessar-se aos glóbulos brancos presentes na circulação sangüínea. Foi por sugestão de Hoppe-Seyler que Miescher começou a estudar a química das células do pus; o material para a pesquisa era abundante, pois dezenas de bandagens com material purulento eram diariamente descartadas por um hospital próximo à universidade. Miescher trabalhou para desenvolver técnicas adequadas à retiração das células de pus das bandagens e à preparação para a análise química. O objetivo inicial era investigar as proteínas celulares, um grupo de substâncias descoberto cerca de 30 anos antes.


Em um seus muitos experimentos com células do pus, Miescher obteve um precipitado que diferia quimicamente de todas as substâncias protéicas conhecidas. Ele descobriu que a nova substância se concentrava no núcleo celular, na época considerado uma estrutura de pouca importância para o funcionamento celular. Aprimorando os métodos de extração e purificação da nova substância, Miescher demostrou que, alem de estar nas células do pus, ela também estava presente em materiais tão diversos quanto o rim, o fígado , o testículo, a levedura e as hemácias nucleadas das aves.


A análise química mostrou que as quantidades relativas dos elementos hidrogênio (H), carbono (C), oxigênio (O) e nitrogênio (N) presentes diferiam das encontradas em proteínas; além disso,a substância descoberta uma nova substância, Miescher denominou-a nucleína, pelo fato de ela estar concentrada no núcleo das células.


O trabalho sobre nucleína só foi publicado em 1871, após certa resistência do editor da revista científica, o próprio Hoppe-Seyler, que, no início, não acreditou nos resultados apresentados por Miescher. Mesmo depois da publicação do trabalho, muitos pesquisadores continuaram duvidando da existência da nucleína; na opinião deles, o achado de Miescher devia ser uma mistura de fosfato inorgânico e proteínas.



[editar] Elucidação da composição química



As desconfianças quanto à real existência da nova substância descrita por Miescher só foram superadas por volta de 1889, quando Richard Altmann (1852-1900) obteve preparações altamente purificadas de nucleína, sem nenhuma contaminação por proteínas. Pelo fato de a substância ter caráter ácido, o que já havia sido detectado por Miescher, Altmann sugeriu que ela fosse chamada de ácido nucléico em vez de nucleína.


Outro pesquisador pioneiro na descoberta foi Albrecht Kossel (1853-1927). Em 1877, ele juntou-se ao grupo de pesquisa de Hoppe-Seyler, então trabalhando na Universidade de Estrasburgo (França), e começou a estudar a composição química das nucleínas, Kossel detectou dois tipos de bases nitrogenadas já conhecidas, a adenina e a guanina. Em 1893, ele identificou uma nova base nitrogenada, que era liberada pela degradação de nucleína da células do timo; por isso denominou-a timina. Logo em seguida, descobriu, descobriu que a nucleína continha um quarto tipo de base nitrogenada, a qual denominou citosina. Em 1894, o grupo liderado por Koosel descobriu que os ácidos nucleicos continham também pentose, um açúcar com cinco átomos de carbono.


Em 1909, Phoebis Levine e Walter Jacobs (1883-1967) conseguiram determinar a organização das moléculas de fosfato, de pentose e base nitrogenada no ácido nucléico. Esses três componentes estão unidos entre si formando uma unidade fundamental, o nucleotídeo. Em 1930, Levine e colaboradores identificaram pentoses componente do ácido nucléico das células das células do timo, que denominaram 2-deoxi-D-ribose, pelo fato de ela possuir, no carbono 2 de sua cadeia, um átomo de oxigênio a menos que a ribose, uma pentose já conhecida, encontrada pelos pesquisadores em ácidos nucléicos dois tipos de ácidos nucléicos: o ácido ribonucléico, ou ribose, e o ácido desoxirribonucléico, ou DNA, cujo açúcar é a desoxirribose.



[editar] Descoberta da transformação



Frederick Griffith em 1936.

Frederick Griffith em 1936.

Frederick Griffith fez uma importante observação no curso dos experimentos com a bactéria Streptococcus pneumoniae em 1928. Esta bactéria, que causa a pneumonia nos humanos, normalmente é letal em camundongos. Entretanto algumas linhagens desta espécie de bactérias desenvolviam-se menos virulentas (menos capazes de causar doenças ou morte). Os experimentos de Grifftih usou duas linhagens que são distinguíveis pelo surgimento de suas colônias quando cultivadas em laboratório. Uma linhagem era um tipo normalmente virulento e mortal para a maioria dos animais de laboratório. As células desta linhagem estão envoltas em uma cápsula de polissacarídeo, dando às colônias em aspecto liso, donde esta linhagem ser identificada com S. A outra linhagem de Griffith era um tipo mutante não virulento que crescia em camundongos mas sem ser letal. Nesta linhagem, a capa de polissacarídeo está ausente, dando às colônias um aspecto rugoso . Esta linhagem é chamada R.



Streptococcus pneumoniae

Streptococcus pneumoniae

Griffith matou algumas célula virulentas fervendo-as. Ele então injetou as células mortas por aquecimento nos camundongos. Os camundongos sobreviveram, mostrando que os restos das células não causam morte. Entretanto os camundongos injetados com uma mistura de células não virulenta mortas por aquecimento e células não virulentas vivas morreram. Além disso, as células vivas podiam ser recuperadas de camundongos mortos. Estas células deram colônias lisas e foram virulentas em uma injeção subseqüente. De algum modo, os restos das células S aquecidas haviam convertido células R vivas em células S vivas.


A etapa seguinte era determinar que componente químico das células doadoras mortas havia causado esta transformação. Esta substância tinha mudado o genótipo da linhagem receptora e portanto podia ser uma candidata ao material genético. Este problema foi resolvido pelos experimentos feitos em 1944 por Oswald Avery e dois colegas, C M. Macleod e M. McCarty. Seu enfoque ao problema foi destruir quimicamente todas as principais categorias de substâncias no extrato das células mortas, uma de cada vez, e descobrir se o extrato havia perdido a habilidade em transformar. As células virulentas tinham uma capa lisa de polissacarídeo, enquanto as células não virulentas, não. Assim os polissacarídeos eram um candidato óbvio a ser o agente transformante. Entretanto, quando os polissacarídeos foram destruídos, a mistura ainda podia transformar. As proteínas, gorduras e ácido ribonucleico (RNA) foram todos demostrados como não sendo o agente transformante. A mistura só perdia a sua habilidade transformante quando a mistura doadora era tratada com enzima desoxirribonuclease (DNase), que quebra o DNA. Estes resultados indicavam fortemente que o DNA era o material genético. Hoje sabemos que os fragmentos do DNA transformante que conferem virulência entram no cromossomo bacteriano e substituem suas contrapartes que confere não virulência.



[editar] Experimento de Hershey-Chase



Estrutura do fago T2

Estrutura do fago T2


Alfred D. Hershey em 1969

Alfred D. Hershey em 1969

Os experimentos feitos por Avery e seus colegas foram definitivos, mas muitos cientistas mostraram-se muito relutantes em aceitar o DNA (e não as proteínas) como material genético. Evidências adicionais foram dadas em 1952 por Alfred Day Hershey e Martha Chase. O experimento de ambos usou o fago T2, um vírus que infecta na bactéria a informação específica que dita a reprodução de novas partículas virais. Se eles pudessem descobrir que material o fago estava injetando na bactéria hospedeira, determinariam o material genético do fago.


O fago tem uma constituição molecular relativamente simples. A maior parte de sua estrutura é de proteína, com o DNA contido dentro da capa de proteína de sua “cabeça” Hershey e Chase decidiram marcar o DNA e a proteína usando radioisótopos, de modo que pudessem rastrear os dois materiais durante a infecção. O fósforo não é encontrado nas proteínas mas é uma parte integrante do DNA. Contrariamente, o enxofre está presente nas proteínas mas nunca no DNA. Hershey e Chase incorporaram o radioisótopo de fosforo (32P) no DNA do fago e o enxofre (35S) nas proteínas de uma cultura separada de fagos. Eles então infectaram duas culturas de E. coli com muitas partículas de vírus por células: uma cultura de E. coli recebeu fagos marcados com 35P e a outra recebeu fagos marcados com 35S. Após dar tempo suficiente para que ocorresse a infecção, eles removeram as embalagens de fago (chamadas ghosts) das células bacterianas por agitação em um liquidificador. Eles separaram as células bacterianas dos envoltórios dos fagos em uma centrífuga e então dosaram a radioatividade nas duas frações. Quando o fago marcado com 32P foi usado para infectar E. coli, a maioria da radioatividade foi encontrada dentro das bactérias, indicando que o DNA do fago havia entrado nas células. Quando era usado o fago marcado com 35S, maior parte do material radioativo estava nas capas dos fagos, indicando que a proteína do fago nunca entrava nas bactérias. A conclusão é inevitável: o DNA é o material hereditário. As proteínas do fago eram apenas embalagens estruturais abandonadas após o DNA viral entrar na bactéria.



[editar] Propriedades físicas e químicas



Figura 2: Estrutura química do ADN.

Figura 2: Estrutura química do ADN.

O ADN é um longo polímero formado por unidades repetidas chamadas nucleotídeos [1] [2] A cadeia de ADN tem 2,2 a 2,4 nanometros de largura, e um nucleotídeo possui aproximandamente 0,33 nanometros de comprimento [3]. Embora os monômeros (nucleotídeos) que constituem o ADN sejam muito pequenos, polímeros de ADN pode ser moléculas enormes com milhões de nucleotídeos. Por exemplo, o maior cromossomo humano (cromossomo 1), possui 220 milhões de pares de bases de comprimento [4].


Em organismos vivos, o ADN não existe como uma molécula única (fita simples), mas sim como um par de moléculas firmemente associadas [5] [6]. As duas longas fitas de ADN enrolam-se como uma trepadeira formando uma dupla hélice (figura 3). Os nucleotídeos estão presentes em ambas as fitas da dupla hélice, unidos com nucleótidos da mesma fita por ligações fosfodiéster e à fita complementar através de pontes de hidrogénio formadas pelas suas bases (figura 2). Em geral, uma base ligada a um açúcar é chamada nucleosídeo e uma base ligada a um açúcar e um ou mais fosfatos é chamada nucleotídeo. Portanto, o ADN pode ser referido como um polinucleotídeo [7].


O cerne (backbone) da fita de ADN é formado por fosfato e resíduos de açúcar dispostos alternadamente. O açúcar no ADN é 2-desoxirribose é uma pentose (açúcar com cinco carbonos). Os açúcares são unidos por grupos de fosfato que formam ligações fosfodiester entre o terceiro e quinto átomos de carbono dos anéis de açúcar adjacentes. Estas ligações assimétricas significam que uma fita de ADN tem uma direção. Numa dupla hélice, a direção dos nucleotídeos de uma fita é oposta à direção dos nucleotídeos da outra fita. O formato das fitas do ADN é designado anti-paralelo. As terminações assimétricas das fitas de ADN são designadas terminais 5’ (cinco linha) e 3’ (três linha). Uma das diferenças principais entre o ADN e o ARN encontra-se no açúcar, com a substituição da 2-desoxirribose no ADN pela ribose no ARN.



Figura 3: Uma cadeia de ADN

Figura 3: Uma cadeia de ADN

A dupla hélice do ADN é estabilizada por pontes de hidrogênio entre as bases presas às duas fitas. As quatro bases encontradas no ADN são a adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T). Estas quatro bases estão representadas na figura 4 e ligam-se ao açúcar / fosfato para formar o nucleotídeo completo, que na figura 2 é mostrado como adenosina monofosfato.


Estas bases são classificadas em dois tipos; a adenina e guanina são compostos heterocíclicos chamados purinas, enquanto que a citosina e timina são pirimidinas. Uma quinta base (uma pirimidina) chamada uracila (U) aparece no ARN e substitui a timina, a uracila difere da timina pela falta de um grupo de metila no seu anel. A uracila normalmente não está presente no ADN, só ocorrendo como um produto da decomposição da citosina. Uma raríssima exceção para esta regra é um vírus bacteriano chamado PBS1 que contém uracila no seu ADN. Em contraste, após a síntese de certas moléculas de ARN, um número significante de uracilas são convertidas a timinas pela adição enzimática do grupo de metila. Isto acontece principalmente em RNAs estruturais e enzimáticos como o ARN mensageiro e o ARN ribossomal.


A dupla hélice é uma espiral destra. Como as fitas de ADN giram uma ao redor da outra, elas deixam espaços entre cada cerne de fosfato, revelando os sítios das bases que estão localizadas na parte interna (veja figura 4). Há dois destes espaços ao redor da superfície da dupla hélice: um espaço é maior e possui 22 Å de largura e o outro, o espaço é menor com 12 Å de largura. Proteínas como fatores de transcrição podem ligar-se a sequências específicas do ADN dupla-fita normalmente estabelecendo contato com os sítios das bases expostos no espaço maior.












Figura 4: No topo, pareamento GC com três pontes de hidrogênio. Em baixo, AT com duas pontes de hidrogênio.


[editar] Emparelhamento de Bases


Cada tipo de base numa fita forma uma ligação com apenas um tipo de base na outra fita. Este comportamento é designado de complementariedade de bases. Assim, as purinas formam pontes de hidrogênio com pirimidinas, i.e. A liga-se com T e C com G. Este arranjo de dois nucleotídeos complementares na dupla hélice é chamado par de base. Além das pontes de hidrogênio entre as bases, as duas fitas são mantidas juntas devido a forças geradas por interações hidrofóbicas entre as bases empilhadas, a qual não é influenciada pela sequência do DNA (Figura 3). [8] Como as pontes de hidrogênio não são ligações covalentes, podem ser quebradas e reunidas com relativa facilidade. Desta forma, as duas fitas da dupla hélice de DNA podem ser separadas como um “zíper” (fecho) por força mecânica ou altas temperaturas. [9] Como resultado desta complementariedade, toda a informação contida numa das fitas de DNA está também contida na outra, o que é fundamental para a replicação do DNA. [1]


Os dois tipos de pares de base formam diferentes números de pontes de hidrogênio, AT forma duas pontes de hidrogênio enquanto que GC formam três pontes de hidrogênio (figura 4). Desta forma a interação entre GC é mais forte que AT. Como resultado, a percentagem de GC numa dupla fita de DNA determina a força de interação entre as duas fitas. [10] Uma parte da dupla fita de DNA que precisa de ser separada facilmente, tal como a TATAAT Pribnow Box nos promotores bacterianos, tendem a ter as sequencias com maior predomínio de AT, para facilitar a abertura da dupla fita aquando da transcrição. No laboratório, a força desta interacção pode ser medida encontrando a temperatura necessária para quebrar as pontes de hidrogénio, a temperatura de desnaturação (também chamado Tm). Quando todas os pares de base numa dupla hélice de ADN quebram as suas ligações, as duas cadeias separam-se e existem em solução como duas moléculas completamente independentes. Estas moléculas de DNA de cadeia simples não têm uma única forma comum, mas algumas conformações são mais estáveis do que outras[11].



Figura 5: TBP associada ao DNA

Figura 5: TBP associada ao DNA


[editar] Fenda maior e menor


O DNA normalmente encontra-se em forma de uma espiral, portanto as fitas de DNA giram uma sobre a outra e acabam por formar fendas entre os cernes de fosfatos deixando expostas as faces das bases nitrogenadas que não estão unidas por pontes de hidrogênio com a base complementar (figura 3).


Há dois tipos de fendas na superfície da dupla hélice: uma com 22 Å denominada fenda maior e uma com 12 Å designada de fenda menor. [12] A principal função das “fendas” do DNA é fornecer a informação acerca das bases que se encontram ligadas numa determinada região da dupla fita sem a necessidade de a abrir. Como é de esperar a fenda maior oferece uma maior acessibilidade de ligação com proteínas do que a fenda menor, mas isso não quer dizer que a fenda menor não possa interagir com proteínas, um exemplo disto é a TBP (TATA-binding protein) uma importante proteína para a transcrição em eucariotas (Figura 5). [13]



[editar] Senso e anti-senso


Uma sequência de DNA é chamada de senso se possui a mesma sequência do RNAm. A fita oposta (complementar) à fita “senso” é denominada sequência anti-senso. Como a RNA polimerase sintetiza um RNA que é complementar à fita molde, então podemos dizer que ela utiliza a fita antisenso como molde para produzir um RNA. As sequências senso e antisenso podem existir em diferentes partes da mesma fita de DNA que pode ser de um lado ou do outro, dependendo de onde se encontra a sequência codificadora.


Às vezes não é possível dizer qual é a fita senso ou antisenso, isto acontece devido à existência de genes que se sobrepõem, e neste caso ambas as fitas dão origem a um RNA. [14] Nas bactérias, a sobreposição pode esta envolvida da regulação da transcrição. [15] Já nos virus, a sobreposição aumenta a capacidade do armazenamento de informações em pequenos genomas virais. [16]



[editar] Supercoiling (super-helicoidização)



Figura 6: Da direita para a esquerda, a estrutura do DNA A, B e Z.

Figura 6: Da direita para a esquerda, a estrutura do DNA A, B e Z.

O DNA pode ser torcido num processo denominado super-helicoidização. No estado relaxado do DNA, uma fita normalmente dá uma volta completa ao eixo da dupla hélice a cada 10.4 pares de base, mas se o DNA está torcido, as cadeias ficam mais ou menos enroladas. [17] Se o DNA está torcido na direção da hélice, é denominado um supercoiling positivo e as bases estão unidas mais firmemente. Já o supercoiling negativo refere-se a uma torção na direção oposta resultanto num afrouxamento das bases. Na natureza, o DNA apresenta um ligeiro supercoiling negativo que é causado pela ação de uma enzima denominada topoisomerase. [18] Estas enzimas também são necessárias para aliviar o estresse de torção causado no DNA durante os processos de transcrição e replicação. [19]



[editar] Estrutura alternativa da dupla hélice


O DNA pode existir em muitas formações diferentes. As formações mais comuns são: DNA-A, DNA-B, DNA-C, DNA-D, [20] DNA-E,[21] DNA-H,[22] DNA-L,[20] DNA-P,[23] e DNA-Z.[24][25] Porém, só as formações de DNA A, B e Z foram encontradas em sistemas biológicos naturais. A formação que o DNA adopta depende de vários fatores da própria sequência de DNA, a intensidade e direção do supercoiling, modificações químicas das bases e a solução na qual o DNA está presente (ex.: concentração de metais, iões e poliaminas). [26] Das três formações referidas, a forma “B” é a mais comum nas condições encontradas nas células. [27]


A forma “A” corresponde à espiral destra mais larga, com uma fenda menor larga e superficial e uma fenda maior estreita e profunda. A forma “A” ocorre sob condições não fisiológicas em amostras de DNA desidratadas, enquanto na célula pode ser produzida por pareamento hibrido de DNA e RNA ou pelo complexo enzima-DNA. [28][29] Em segmentos de DNA onde as bases foram quimicamente modificadas por metilação, o DNA pode sofrer uma grande modificação na sua formação e adoptar a forma DNA-Z. Aqui, a fita gira sobre o eixo da dupla hélice para a esquerda, o oposto da forma mais comum – DNA-B. [30] Esta estrutura é rara e pode ser reconhecida por proteínas especificas de ligação com o DNA-Z e podem estar envolvidas na regulação da transcrição. [31]



[editar] Estruturas em quadruplex




Ver artigo principal: G-quadruplex


Estrutura de um quadruplex de DNA formado por repetições teloméricas. A conformação do esqueleto de DNA é diferente da típica estrutura helicoidal

Estrutura de um quadruplex de DNA formado por repetições teloméricas. A conformação do esqueleto de DNA é diferente da típica estrutura helicoidal[32]

Nas extremidades do cromossomas lineares estão zonas especializadas do DNA chamadas telómeros. A função principal destas regiões é permitir que a célula replique as extremidades do cromossoma usando a enzima telomerase, porque enzimas que permitem replicar DNA normalmente não conseguem copiar as extremidades 3 dos cromossomas[33]. Estas tampas de cromossoma especializadas também ajudam a proteger as extremidades do DNA, e evitam que o sistema de reparo de DNA da célula as trate como danos que precisem de ser corrigidos[34]. Em células humanas, os telómeros tem normalmente vários milhares de repetições de uma sequência simples (TTAGGG)[35].


Estas sequências ricas em guanina podem estabilizar as extremidades dos cromossomas formando estruturas de unidades de quatro bases empilhadas, ao invés dos pares de base usuais encontrados em outras moléculas de DNA. Aqui, quatro bases de guanina formam uma placa chata e depois estas unidade chatas de quatro bases empilham-se no topo umas das outras, para formarem estruturas G-quadruplex estáveis[36]. Estas estruturas são estabilizadas por pontes de hidrogénio entre as margens das bases e por quelação de um ião metálico no centro de cada unidade de quatro-bases[37]. Outras estruturas podem também ser formadas, com o conjunto central de quatro bases a vir quer de uma cadeia simples enrolada à volta das bases ou de diversas cadeias paralela, cada uma contribuindo com uma base para a estrutura central.


Além destas estruturas empilhadas, os telómeros também forma grandes estruturas em forma de laço chamados telomere loops ou T-loops. Aqui, DNA de cadeia simples enrola-se à volta de um círculo grande estabilizados por proteínas que se ligam a telómeros[38]. Mesmo no fim dos T-loops, o DNA de cadeia simples do telómero é segurado sobre uma região de DNA de cadeia dupla pela cadeia do telómero que desestabiliza o DNA de dupla hélica e o emparelhamento de bases de uma das duas cadeias. Esta estrutura de cadeia tripla é chamada de laço de deslocamento ou D-loop[36].



[editar] Modificações químicas












citosina 5-metilcitosina timina


Estrutura da citosina com e sem o grupo 5-metil. Depois de deaminação, a 5-metilcitosina tem a mesma estrutura da timina


[editar] Modificações de bases




Ver artigo principal: metilação do DNA

A expressão de genes é influenciado pela maneira que o DNA está arrumado nos cromossomas, numa estrutura chamada cromatina. As modificações de bases podem estar envolvidas na arrumação, com as regiões quem tem expressão génica baixa ou inexistente contendo usualmente níveis elevados de metilação das bases de citosina. Por exemplo, a metilação de citosina produz 5-metilcitosina, que é importante na inactivação do cromossoma X[39]. O nível médio de metilação varia entre organismos – o verme Caenorhabditis elegans tem pouca metilação da citosina, enquanto que vertebrados tem níveis mais elevados, com até 1% do seu DNA contendo 5-metilcitosina[40]. Apesar da importância da 5-metilcitosina, esta pode deaminar transformando-se em timina. Citosinas metiladas são por isso especialmente susceptíveis de sofrer mutações[41]. Outras modificações de bases incluem metilação de adeninas em bactérias e glicolisação do uracilo para produzir a “base-J” em kinetoplasteas[42][43].



[editar] Danificação do DNA




Ver artigo principal: Mutação


Benzopireno, o maior mutagénio no fumo do tabaco, ligando-se ao DNA

Benzopireno, o maior mutagénio no fumo do tabaco, ligando-se ao DNA[44]

O DNA pode ser danificado por muitos tipos diferentes de mutagéneos, que mudam a sequência de DNA. Mutagénios incluem agentes oxidantes, agentes alquilantes e também por radiação electromagnética de grande energia tal como luz ultravioleta e raios-X. O tipo de danificação de DNA produzido depende do tipo de mutagénio. A luz ultravioleta, por exemplo, pode danificar o DNA produzindo dímeros de timina, que são ligações cruzadas entre pirimidinas[45]. Por outro lado, oxidantes como radicais livres ou peróxido de hidrogénio produzem múltiplos tipos de danos, incluindo modificações de base, em particular guanosina, e quebras das cadeias duplas[46]. Em cada célula humana, cerca de 500 bases sofrer danos por oxidação por dia[47][48]. De entre estas lesões oxidativas, a mais perigos são as quebras da cadeia dupla, pois estas são difíceis de reparar e podem produzir mutações pontuais, inserções e delecções, assim como translocações cromossómicas[49].


Muitos mutagénios encaixam entre o espaço entre dois pares de base adjacentes, a chamada intercalação. A maioria dos intercaladores são aromáticos e moléculas planas e incluem brometo de etídio, daunomicina, doxorubicina e talidomida. Para que um intercalador encaixe entre pares de base, as bases tem de se separar, distorcendo as cadeias de DNA desenrolando a cadeia dupla. Isto inibe quer a transcrição como a replicação do DNA, causando toxicidade e mutações. Como resultado, os intercaladores de DNA são muitas vezes carcinogénicos. Benzopireno, acridinas, aflatoxina e brometo de etídio são exemplos bem conhecidos[50][51][52]. No entanto, devido à sua capacidade de inibir a transcrição e replicação, estas toxinas também são usadas em quimioterapia para inibir células de cancro com crescimento rápido[53].





[editar] Funções biológicas


O DNA ocorre normalmente como cromossomas lineares em eucariotas, e como cromossomas circulares em procariotas. O conjunto dos cromossomas numa célula perfazem o seu genoma; o genoma humano tem aproximadamente 3 mil milhões de pares de base dispostos em 46 cromossomas[54]. A informação transportada pelo DNA está contida nas sequências de pedaços de DNA chamados genes. A transmissão da informação genética dos genes é conseguida via a complementaridade do emparelhamento das bases. Por exemplo, na transcrição, quando uma célula usa a informação num gene, a sequência de DNA é copiado para uma sequência de RNA complementar através da atracção entre o DNA e os nucleotídeos de RNA correctos. Normalmente, esta cópia de RNA é depois usada para fazer uma sequência proteica correspondente no processo de tradução que depende da mesma interacção entre nucleotídeos de RNA. Alternativamente, uma célula pode simplesmente copiar a sua informação genética num processo chamado replicação do DNA.



[editar] Genes e genomas





O DNA genómico está localizado no núcleo celular dos eucariontes, assim como em pequenas quantidades em mitocôndrias e em cloroplastos. Em procariontes, o DNA está dentro de um corpo de forma irregular no citoplasma chamado nucleóide[55] A informação genética num genoma está nos genes, e o conjunto completo desta informação num organismo é chamado o seu genótipo. Um gene é a unidade básica da hereditariedade e é uma região do DNA que influencia uma característica particular num organismo. Genes contêm uma open reading frame que pode ser transcrita, assim como sequências reguladoras tais como promotores ou enhancers, que controlam a transcrição da open reading frame.


Em muitas espécies, apenas uma pequena fracção da sequência total do genoma codifica uma proteína. Por exemplo, apenas 1,5% do genoma humano consiste de exões (que codificam proteínas), com mais de 50% do DNA humano consistindo de sequências repetitivas[56]. As razões para a presença de tanto DNA não-codificante em genomas eucarióticos e as extraordinárias diferenças no tamanho do genoma, ou C-value, entre espécies representam um enigma ainda não decifrado conhecido por “C-value enigma[57]. Contudo, sequências de DNA que não codificam proteínas podem ainda codificar moléculas de RNA não-codificante funcional, que estão envolvidas na regulação da expressão génica[58].



T7 RNA polimerase (azul) produzindo um mRNA (verde) a partir de um molde de DNA (laranja).

T7 RNA polimerase (azul) produzindo um mRNA (verde) a partir de um molde de DNA (laranja)[59].

Algumas sequências de DNA não-codificante tem um papel estrutural nos cromossomas. Os telómeros e centrómeros contêm tipicamente poucos genes, mas são importantes para a função e estabilidade dos cromossomas[34][60]. Uma forma abundante de DNA não codificante em humanos são pseudogenes, que são cópias de genes que foram desabilitados por mutação[61]. Estas sequências são usualmente apenas fósseis moleculares, apesar de poderem servir ocasionalmente como material genético em bruto para a criação de novos genes através do processo de duplicação de genes e divergência[62].





[editar] Transcrição e tradução





Um gene é uma sequência de DNA que contêm informação genética e pode influenciar o fenótipo de um organismo. Dentro de um gene, a sequência de bases ao longo de uma cadeia de DNA definem uma cadeia de RNA mensageiro, que por sua vez define uma ou mais sequências proteicas. A relação entre a sequência de nucleótidos de um gene e a sequência de aminoácidos de uma proteína é determinada pelas regras de tradução, conhecidas colectivamente como o código genético. O código genético consiste de palavras de três letras chamadas codões formadas por uma sequência de três nucleótidos (p.e. ACT, CAG, TTT).


Na transcrição, os codões de um gene são copiados para um RNA mensageiro pela RNA polimerase. Esta cópia de RNA é depois descodificada por uma ribossoma que lê a sequência de RNA emparelhando o RNA mensageiro a RNA de transferência, que carrega aminoácidos. Uma vez que há quatro bases em combinações de 3-letras, há 64 codões possíveis (43 combinações). Estas codificam os vinte aminoácidos, dando à maioria dos aminoácidos mais do que um codão possível. Há também três codões stop ou nonsense significando o fim da região codificante; estes são os codões TAA, TGA e TAG.



Replicação de DNA. A dupla hélice é desdobrada por uma  helicase e por uma topoisomerase. Em seguida, uma DNA polimerase produz uma cópia da leading strand. Outra DNA polimerase liga-se à lagging strand. Esta enzima produz segmentos descontinuos (chamados fragmentos Okazaki) antes que a DNA ligase os juntar.

Replicação de DNA. A dupla hélice é desdobrada por uma helicase e por uma topoisomerase. Em seguida, uma DNA polimerase produz uma cópia da leading strand. Outra DNA polimerase liga-se à lagging strand. Esta enzima produz segmentos descontinuos (chamados fragmentos Okazaki) antes que a DNA ligase os juntar.


[editar] Replicação




Ver artigo principal: Replicação do DNA

A divisão celular é essencial para que um organismo cresça, mas quando uma célula se divide tem de replicar o DNA do seu genoma para que as duas células-filha tenham a mesma informação genética que a célula parental. A estrutura em dupla-hélice do DNA fornece um mecanismo simples para a sua replicação. As duas cadeias são separadas e depois sequências de DNA, complementares a cada uma das cadeias são recreadas por uma enzima chamada DNA polimerase. Esta enzima constrói a cadeia complementar encontrando a base correcta através de emparelhamento com a base complementar, e ligando-a à cadeia original. Como as polimerases de DNA só conseguem fazer a extensão de uma cadeia de DNA na direcção 5 para 3, outros mecanismos são usados para copiar a cadeia antiparalela da dupla hélice[63]. Desta forma, a base presente na cadeia antiga dita que base vai aparecer na nova cadeia e a célula acaba com uma cópia perfeita do seu DNA.



[editar] Interacções com proteínas








Este artigo ou secção encontra-se parcialmente em língua estrangeira. Ajude e colabore com a tradução.

O trecho em língua estrangeira encontra-se oculto, sendo visível apenas ao editar a página.


Todas as funções do DNA dependem de interacções com proteínas. Estas interacções com proteínas podem ser não-específicas, ou a proteína pode ligar-se especificamente a uma única sequência de DNA. Algumas enzimas também se podem ligar ao DNA. Destas, as polimerases que copiam as sequências de DNA na transcrição e replicação são particularmente importantes.



[editar] Proteínas que se ligam ao DNA (DNA-binding)










Interacção do DNA com histonas (mostrado em branco, em cima). As aminoácidos básicos destas proteínas (em baixo à esquerda, em azul) liga-se aos grupos fosfato do DNA (em baixo à direita, em vermelho).

Proteínas estruturais que se ligam ao DNA são exemplos bem estudados de interacções não-específicas DNA-proteínas. Nos cromossomas, o DNA está ligado a proteínas estruturais formando complexos. Estas proteínas organizam o DNA numa estrutura compacta, a cromatina. Em eucariontes esta estrutura envolve a ligação do DNA a um complexo de pequenas proteínas básicas chamadas histonas, enquanto que em procariontes estão envolvidas vários tipos de proteínas[64][65]. As histonas formam um complexo em forma de disco, o nucleossoma, que contem duas voltas completas de DNA de cadeia dupla enrolado à sua volta. Estas interacções não específicas formam-se quando os resíduos básicos das histonas fazem ligações iónicas ao esqueleto açúcar-fosfato acídico do DNA, e por isso são largamente independentes da sequência de bases[66]. Modificações químicas nestes resíduos de amino-ácidos inclui metilação, fosforilação e acetilação[67]. Estas mudanças químicas alteram a força da interacção entre o DNA e as histonas, tornando o DNA mais ou menos acessível a factores de transcrição e mudando a taxa de transcrição[68]. Outras proteínas com ligação a DNA não-específicas incluem o grupo de proteínas de alta mobilidade, que se ligam a DNA dobrado ou distorcido[69]. Estas proteínas são importantes pois dobram conjuntos de nucleossomas e organizam-nos em estruturas maiores que perfazem os cromossomas[70].


Um grupo distinto destas proteínas são as que se ligam especificamente a DNA de cadeia simples. Nos humanos, a proteína de replicação A é o membro desta família melhor compreendido e é usado em processos onde a dupla hélice é separada, incluindo durante a replicação do DNA, recombinação e reparo[71]. Estas proteínas parecem estabilizar DNA de cadeia dupla e protegem-no da formação de hairpin loops ou de ser degradado por nucleases.



O factor de transcrição do helix-turn-helix lambda repressor ligado ao seu alvo de DNA.

O factor de transcrição do helix-turn-helix lambda repressor ligado ao seu alvo de DNA[72].

Em contraste, outras proteínas evoluiram de modo a ligar-se a sequências de DNA específicas. Os factores de transcrição são dos mais intensivamente estudados, que são proteínas que regulam a transcrição. Cada factor de transcrição liga-se a um conjunto particular de sequências de DNA e activa ou inibe a transcrição de genes que tenham estas sequências perto dos seus promotores. Os factores de transcrição fazem isto de duas maneiras. Primeiro, podem ligar-se à polimerase do RNA responsável pela transcrição, quer directamente quer através de proteínas mediadoras; isto posiciona a polimerase no promotor e permite que comece a transcrição[73]. Em alternativa, os factores de transcrição podem ligar-se a enzimas que modificam as histonas no promotor; isto muda a acessibilidade do molde de DNA à polimerase[74].



[editar] Vida


Cada ser vivo que habita a Terra possui uma codificação diferente de instruções escritas na mesma linguagem no seu ADN. Estas diferenças geram as diferenças orgânicas entre os organismos vivos.




Figura 7:Diferentes níveis de condensação do ADN. (1) Cadeia simples de ADN . (2) Filamento de cromatina (ADN com histonas). (3) Cromatina condensada em intérfase com centrómeros.  (4) Cromatina condensada em prófase. (Existem agora duas cópias da molécula de ADN) (5) Cromossoma em metáfase
Figura 7:Diferentes níveis de condensação do ADN. (1) Cadeia simples de ADN . (2) Filamento de cromatina (ADN com histonas). (3) Cromatina condensada em intérfase com centrómeros. (4) Cromatina condensada em prófase. (Existem agora duas cópias da molécula de ADN) (5) Cromossoma em metáfase

A dupla cadeia polinucleotídica constitui a molécula de ADN, cuja seqüência de nucleotídeos codifica as instruções hereditárias, organizadas em genes, que codificam as inúmeras proteínas existentes nas mais variadas células. As moléculas de ADN contêm portanto a informação genética necessária para a codificação das características de um indivíduo, como a cor do cabelo em humanos, o formato da folha em Angiospermas e a sua morfologia.


O ADN de todas as células do corpo humano seria equivalente, se fosse visível a olho nu, em comprimento, a oito mil vezes a distância da Terra à Lua.



[editar] Criação das moléculas



Erupções vulcânicas seriam comuns na terra primitiva

Erupções vulcânicas seriam comuns na terra primitiva

Presume-se que a Terra ao se formar de poeira e gases interestelares há mais ou menos 4,6 biliões (br: 4,6 bilhões) de anos, no turbilhão que se formava, já continha os elementos que posteriormente seriam a base da vida.


Através dos registos fósseis estudados, alguns cientistas afirmam que a vida se desenvolveu em torno de 4 biliões (br: 4 bilhões) de anos atrás nos oceanos primitivos do planeta. Segundo alguns, a complexidade das primeiras formas vivas era muito menor que qualquer organismo unicelular, que pode ser considerado um ser vivo altamente sofisticado em relação àquelas.


Presume-se que em reacções das mais diversas, influenciadas pela luz ultravioleta do Sol, relâmpagos, etc, iniciaram as composições de moléculas bastante simples. Estas eram ricas em hidrogénio procedente da atmosfera primitiva.


Ao avançar do tempo, se iniciou um processo que levou aqueles fragmentos primitivos a se combinarem e recombinarem, o que gerou moléculas cada vez mais complexas.


Os oceanos da Terra se assemelhavam a um caldo orgânico porém, ainda não eram vivos. À medida em que a complexidade das moléculas aumentava, começaram a surgir algumas que iniciaram um processo grosseiro de copiarem a si mesmas.


Estas eram provavelmente as primeiras ancestrais do ácido desoxirribonucléico, ou ADN, molécula principal da vida na Terra.



 Evolução







Portal A Wikipédia possui o
Portal de Evolução




Ver artigos principais: Introdução à evolução e Evolução.

Alguns cientistas afirmam que o planeta Terra era um Jardim do Éden molecular, há cerca de quatro mil milhões de anos. As moléculas se reproduziam de forma ineficiente, produzindo-se cópias grosseiras. Neste tipo de cenário ocorreram as primeiras replicações, mutações, e extinções de forma selectiva e aleatória. As variedades menos eficientes foram sendo eliminadas, enquanto aquelas que conseguíam sobreviver se tornaram cada vez mais eficientes a cada geração – evolução.


Avançando-se no tempo, as moléculas orgânicas foram adquirindo mais e mais funções especializadas, foram se juntando aos poucos e de forma casual. A princípio, pode-se dizer que estas colectividades moleculares formaram algo parecido com o primeiro ser vivo composto a partir de algum momento por um ADN funcional.



 Bibliografia



  • Introdução à genética, Riffiths, Wessler, Lewontin, Gesbart, suzuki, Miller, 8º Edição, Guanabara Koogan, 2006.
  • Biologia; José Mariano Amabis, Gilberto Rodriges Martho; Moderna; 2004

Recomendados Para Você:

Deixe uma resposta

O seu endereço de e-mail não será publicado. Campos obrigatórios são marcados com *