DNA: história, funções, estrutura, componentes

O ADN (ácido desoxirribonucleico) é a biomolécula contém toda a informação necessária para gerar um corpo e manter o seu funcionamento. É composto por unidades chamadas nucleotídeos, formadas por sua vez por um grupo fosfato, uma molécula de açúcar com cinco carbonos e uma base de nitrogênio.

Existem quatro bases nitrogenadas: adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T). A adenina sempre emparelha com timina e guanina com citosina. A mensagem contida na fita de DNA é transformada em um RNA mensageiro e participa da síntese de proteínas.

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O DNA é uma molécula extremamente estável, carregada negativamente em pH fisiológico, associada a proteínas positivas (histonas) para compactar eficientemente no núcleo das células eucarióticas. Uma longa cadeia de DNA, juntamente com várias proteínas associadas, forma um cromossomo.

História

Em 1953, o americano James Watson e o britânico Francis Crick conseguiram elucidar a estrutura tridimensional do DNA, graças ao trabalho em cristalografia realizado por Rosalind Franklin e Maurice Wilkins. Eles também basearam suas conclusões nos trabalhos de outros autores.

Ao expor o DNA aos raios X, forma-se um padrão de difração que pode ser usado para inferir a estrutura da molécula: uma hélice com duas cadeias antiparalelas que giram para a direita, onde ambas as cadeias são unidas por ligações de hidrogênio entre as bases . O padrão obtido foi o seguinte:

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A estrutura pode ser assumida segundo as leis de difração de Bragg: quando um objeto é interposto no meio de um feixe de raio-X, ele é refletido, uma vez que os elétrons do objeto interagem com o raio.

Em 25 de abril de 1953, os resultados de Watson e Crick foram publicados na prestigiosa revista Nature, em um artigo de duas páginas intitulado ” Estrutura molecular dos ácidos nucléicos “, que revolucionaria completamente o campo da biologia .

Graças a essa descoberta, os pesquisadores receberam o Prêmio Nobel de Medicina em 1962, exceto Franklin, que morreu antes do parto. Essa descoberta é atualmente um dos grandes expoentes do sucesso do método científico para adquirir novos conhecimentos.

Componentes

A molécula de DNA é composta de nucleotídeos, unidades formadas por um açúcar de cinco carbonos ligado a um grupo fosfato e a uma base de nitrogênio. O tipo de açúcar encontrado no DNA é do tipo desoxirribose e, portanto, seu nome, ácido desoxirribonucleico.

Para formar a cadeia, os nucleotídeos são covalentemente ligados por uma ligação do tipo fosfodiéster por meio de um grupo 3′-hidroxil (-OH) a partir de um açúcar e o 5′-fosfato do próximo nucleotídeo.

Não confunda nucleotídeos com nucleosídeos. Este último refere-se à parte do nucleotídeo formada apenas pela pentose (açúcar) e a base nitrogenada.

O DNA é composto de quatro tipos de bases nitrogenadas: adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T).

As bases de nitrogênio são classificadas em duas categorias: purinas e pirimidinas. O primeiro grupo consiste em um anel de cinco átomos ligado a outro anel de seis, enquanto as pirimidinas são compostas por um único anel.

Das bases mencionadas, adenina e guanina são derivadas de purinas. Por outro lado, timina, citosina e uracil (presentes na molécula de RNA) pertencem ao grupo pirimidina.

Estrutura

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Uma molécula de DNA é formada por duas cadeias nucleotídicas. Essa “cadeia” é conhecida como uma fita de DNA.

Os dois fios são unidos por ligações de hidrogênio entre as bases complementares. As bases de nitrogênio estão covalentemente ligadas a um esqueleto de açúcares e fosfatos.

Cada nucleotídeo localizado em uma fita pode ser acoplado a outro nucleotídeo específico da outra fita, para formar a dupla hélice conhecida. Para formar uma estrutura eficiente, A é sempre acoplado a T por meio de duas pontes de hidrogênio e G a C por três pontes.

Chargaff Law

Se estudarmos as proporções de bases de nitrogênio no DNA, descobriremos que a quantidade de A é idêntica à quantidade de T e a mesma de G e C. Esse padrão é conhecido como lei de Chargaff.

Esse emparelhamento é energeticamente favorável, pois permite manter uma largura semelhante em toda a estrutura, mantendo uma distância semelhante ao longo da molécula do esqueleto de açúcar e fosfato. Observe que uma base de um anel é acoplada a uma de um anel.

Modelo de dupla hélice

Propõe-se que a dupla hélice seja composta por 10,4 nucleotídeos por turno, separados por uma distância de 3,4 nanômetros de centro a centro. O processo de enrolamento resulta na formação de ranhuras na estrutura, sendo possível observar uma ranhura maior e menor.

As ranhuras surgem porque as ligações glicosídicas nos pares de bases não são opostas uma à outra em relação ao seu diâmetro. No sulco menor está a pirimidina O-2 e a purina N-3, enquanto o sulco principal está localizado na região oposta.

Se usarmos a analogia de uma escada, os degraus consistem em pares de bases complementares entre si, enquanto o esqueleto corresponde às duas barras de apoio.

As extremidades da molécula de DNA não são iguais, então fala-se de uma “polaridade”. Uma de suas extremidades, a 3 ‘, carrega um grupo -OH, enquanto a extremidade 5’ tem o grupo fosfato livre.

Os dois fios estão localizados de maneira antiparalela, o que significa que eles estão localizados opostos às suas polaridades, da seguinte maneira:

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Além disso, a sequência de um dos fios deve ser complementar ao seu parceiro, se for uma posição é A, no fio antiparalelo deve ser um T.

Organização

Em cada célula humana, existem aproximadamente dois metros de DNA que devem ser empacotados com eficiência.

A fita deve ser compactada para que possa estar contida em um núcleo microscópico de 6 μm de diâmetro que ocupa apenas 10% do volume da célula. Isso é possível graças aos seguintes níveis de compactação:

Histonas

Nos eucariotos, existem proteínas chamadas histonas, que têm a capacidade de se ligar à molécula de DNA, sendo o primeiro nível de compactação da fita. As histonas têm cargas positivas para interagir com as cargas negativas do DNA, fornecidas pelos fosfatos.

As histonas são proteínas tão importantes para os organismos eucarióticos que permaneceram praticamente inalteradas no curso da evolução – lembrando que uma baixa taxa de mutações indica que as pressões seletivas nessa molécula são fortes. Um defeito nas histonas pode resultar em uma compactação defeituosa no DNA.

As histonas podem ser bioquimicamente modificadas e esse processo modifica o nível de compactação do material genético.

Quando as histonas são “hipoacetiladas”, a cromatina fica mais condensada, pois as formas acetiladas neutralizam as cargas positivas de lisinas (aminoácidos com carga positiva) na proteína.

Nucleossomos e fibra de 30 nm

A fita de DNA se enrola nas histonas e forma estruturas que se assemelham às contas de um colar de pérolas, chamadas nucleossomos. No centro dessa estrutura estão duas cópias de cada tipo de histona: H2A, H2B, H3 e H4. A união das diferentes histonas é chamada de “histona octâmero”.

O octâmero é cercado por cerca de 146 pares de bases, dando menos de dois turnos. célula diplóide humano contém uma cerca de 6,4 x 10 9 nucleótidos que são organizadas por 30 milhões de nucleossomas.

A organização nos nucleossomos permite a compactação no DNA em mais de um terço do seu comprimento original.

Em um processo de extração do material genético sob condições fisiológicas, observa-se que os nucleossomos estão dispostos em uma fibra de 30 nanômetros.

Cromossomos

Os cromossomos são a unidade funcional de herança, cuja função é transportar os genes de um indivíduo. Um gene é um segmento de DNA que contém as informações para sintetizar uma proteína (ou uma série de proteínas). No entanto, também existem genes que codificam para elementos reguladores, como o RNA.

Todas as células humanas (com exceção dos gametas e eritrócitos sanguíneos) têm duas cópias de cada cromossomo, uma herdada do pai e a outra da mãe.

Os cromossomos são estruturas compostas por uma grande porção linear de DNA associada aos complexos de proteínas mencionados acima. Normalmente, nos eucariotos, todo o material genético incluído no núcleo é dividido em uma série de cromossomos.

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Organização em procariontes

Procariontes são organismos que não possuem núcleo. Nestas espécies, o material genético é altamente enrolado juntamente com proteínas alcalinas de baixo peso molecular. Dessa maneira, o DNA é compactado e localizado em uma região central da bactéria.

Alguns autores costumam chamar essa estrutura de “cromossomo bacteriano”, embora não tenha as mesmas características de um cromossomo eucariótico.

Quantidade de DNA

Nem todas as espécies de organismos contêm a mesma quantidade de DNA. De fato, esse valor é altamente variável entre as espécies e não há relação entre a quantidade de DNA e a complexidade do organismo. Essa contradição é conhecida como “paradoxo do valor C”.

O raciocínio lógico seria intuir que quanto mais complexo o organismo é, mais DNA ele possui. No entanto, isso não é verdade na natureza.

Por exemplo, o genoma do peixe – pulmão Protopterus aethiopicus tem um tamanho de 132 pg (o DNA pode ser quantificado em picogramas = pg) enquanto o genoma humano pesa apenas 3,5 pg.

Deve-se lembrar que nem todo o DNA de um organismo codifica proteínas, uma grande quantidade está relacionada a elementos reguladores e diferentes tipos de RNA.

Formas estruturais do DNA

O modelo de Watson e Crick, deduzido dos padrões de difração de raios X, é conhecido como hélice B-DNA e é o modelo “tradicional” e mais conhecido. No entanto, existem outras duas formas diferentes, chamadas DNA – A e DNA – Z.

DNA – A

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A variante “A” vira para a direita, assim como o DNA – B, mas é mais curta e mais larga. Este formulário aparece quando a umidade relativa diminui.

O DNA-A gira a cada 11 pares de bases, o sulco principal é mais estreito e mais profundo que o DNA-B. Com relação ao sulco menor, isso é mais superficial e amplo.

DNA – Z

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A terceira variante é o DNA-Z. É a forma mais estreita, formada por um grupo de hexanucleotídeos organizados em um duplex de cadeias antiparalelas. Uma das características mais importantes dessa maneira é que ele vira para a esquerda, enquanto as outras duas formas o fazem para a direita.

O Z-DNA aparece quando existem sequências curtas de pirimidinas e purinas alternando entre si. O sulco maior é plano e o menor é estreito e mais profundo, comparado ao DNA-B.

Embora em condições fisiológicas a molécula de DNA esteja principalmente na sua forma B, a existência das duas variantes descritas expõe a flexibilidade e o dinamismo do material genético.

Funções

A molécula de DNA contém todas as informações e instruções necessárias para a construção de um organismo. O conjunto completo de informações genéticas nos organismos é chamado de genoma .

A mensagem é codificada pelo “alfabeto biológico”: as quatro bases mencionadas anteriormente, A, T, G e C.

A mensagem pode levar à formação de vários tipos de proteínas ou a codificar algum elemento regulador. O processo pelo qual essas bases podem entregar uma mensagem é explicado abaixo:

Replicação, transcrição e tradução

A mensagem criptografada nas quatro letras A, T, G e C resulta em um fenótipo (nem todas as seqüências de DNA codificam proteínas). Para conseguir isso, o DNA deve se replicar em cada processo de divisão celular.

A replicação do DNA é semi-conservadora: uma fita serve como modelo para a formação da nova molécula filha. Diferentes enzimas catalisam a replicação, incluindo DNA de primase, DNA de helicase, DNA de ligase e topoisomerase.

Posteriormente, a mensagem – escrita em uma linguagem de sequência base – deve ser transmitida a uma molécula intermediária: RNA (ácido ribonucleico). Esse processo é chamado de transcrição.

Para a transcrição ocorrer, diferentes enzimas devem participar, incluindo a RNA polimerase.

Essa enzima é responsável por copiar a mensagem de DNA e convertê-la em uma molécula de RNA mensageiro. Em outras palavras, o objetivo da transcrição é obter o mensageiro.

Finalmente, ocorre a tradução da mensagem em moléculas de RNA mensageiro, graças aos ribossomos.

Essas estruturas pegam o RNA mensageiro e, junto com a maquinaria de tradução, formam a proteína especificada.

O código genético

A mensagem é lida em “trigêmeos” ou em grupos de três letras que especificam um aminoácido – os blocos estruturais das proteínas. É possível decifrar a mensagem dos trigêmeos, já que o código genético já foi completamente revelado.

A tradução sempre começa com o aminoácido metionina, que é codificado pelo trigêmeo inicial: AUG. O “U” representa a base do uracilo e é característico do RNA e suplanta a timina.

Por exemplo, se o RNA mensageiro tiver a seguinte sequência: AUG CCU CUU UUU UUA, ele se traduzirá nos seguintes aminoácidos: metionina, prolina, leucina, fenilalanina e fenilalanina. Observe que dois trigêmeos – nesse caso, UUU e UUA – podem codificar o mesmo aminoácido: fenilalanina.

Por essa propriedade, diz-se que o código genético é degenerado, uma vez que um aminoácido é codificado por mais de uma sequência de trigêmeos, exceto o aminoácido metionina que determina o início da tradução.

O processo para com trigêmeos específicos de trip ou terminação: UAA, UAG e UGA. Eles são conhecidos sob as denominações de ocre, âmbar e opala, respectivamente. Quando o ribossomo os detecta, eles não podem mais adicionar aminoácidos à cadeia.

Propriedades químicas e físicas

Os ácidos nucléicos são de natureza ácida e são solúveis em água (hidrofílicos). Pode ocorrer a formação de ligações de hidrogênio entre grupos fosfato e grupos hidroxila de pentoses com água. É carregado negativamente no pH fisiológico.

As soluções de DNA são altamente viscosas, devido à resistência à deformabilidade da dupla hélice, que é muito rígida. A viscosidade diminui se o ácido nucleico for de cadeia simples.

São moléculas altamente estáveis. Logicamente, essa característica deve ser indispensável nas estruturas que transportam informações genéticas. Comparado ao RNA, o DNA é muito mais estável porque não possui um grupo hidroxila.

O DNA pode ser desnaturado pelo calor, ou seja, os fios se separam quando a molécula é exposta a altas temperaturas.

A quantidade de calor que deve ser aplicada depende da porcentagem de G-C da molécula, porque essas bases são unidas por três ligações de hidrogênio, aumentando a resistência à separação.

Quanto à absorção de luz, eles têm um pico de 260 nanômetros, o que aumenta se o ácido nucleico for de fita simples, uma vez que os anéis nucleotídicos estão expostos e são responsáveis ​​pela absorção.

Evolução

Segundo Lazcano et al. 1988 O DNA surge em estágios de transição do RNA, sendo um dos eventos mais importantes da história da vida.

Os autores propõem três estágios: um primeiro período em que havia moléculas semelhantes aos ácidos nucléicos, depois os genomas eram formados por RNA e, como último estágio, apareciam os genomas do DNA de fita dupla.

Algumas evidências apóiam a teoria de um mundo primário baseado em RNA. Primeiro, a síntese protéica pode ocorrer na ausência de DNA, mas não quando o RNA está ausente. Além disso, moléculas de RNA com propriedades catalíticas foram descobertas.

Quanto à síntese de desoxirribonucleotídeo (presente no DNA), eles sempre vêm da redução de ribonucleotídeos (presente no RNA).

A inovação evolutiva de uma molécula de DNA deve ter exigido a presença de enzimas que sintetizam os precursores de DNA e participam da retrotranscrição do RNA.

Ao estudar as enzimas atuais, pode-se concluir que essas proteínas evoluíram várias vezes e que a transição do RNA para o DNA é mais complexa do que se pensava anteriormente, incluindo processos de transferência e perda de genes e substituições não-ortólogas.

Sequenciamento de DNA

O sequenciamento de DNA consiste em elucidar a sequência da fita de DNA em termos das quatro bases que a compõem.

O conhecimento desta sequência é de suma importância nas ciências biológicas. Pode ser usado para discriminar duas espécies morfologicamente muito semelhantes, para detectar doenças, patologias ou parasitas e até mesmo ter uma aplicabilidade forense.

O sequenciamento de Sanger foi desenvolvido em 1900 e é a técnica tradicional para esclarecer uma sequência. Apesar da idade, é um método válido e amplamente utilizado pelos pesquisadores.

Método Sanger

O método utiliza DNA polimerase, uma enzima altamente confiável que replica o DNA nas células, sintetizando uma nova cadeia de DNA usando uma cadeia preexistente como guia. A enzima requer um primeiro ou um iniciador para iniciar a síntese. O primer é uma pequena molécula de DNA complementar à molécula que você deseja sequenciar.

Na reação, são adicionados nucleotídeos que serão incorporados na nova fita de DNA pela enzima.

Além dos nucleotídeos “tradicionais”, o método inclui uma série de didesoxinucleotídeos para cada uma das bases. Eles diferem dos nucleotídeos padrão em duas características: estruturalmente, eles não permitem que a DNA polimerase adicione mais nucleotídeos à cadeia filha e tenham um marcador fluorescente diferente para cada base.

O resultado é uma variedade de moléculas de DNA de diferentes comprimentos, uma vez que os didesoxinucleotídeos foram incorporados aleatoriamente e interromperam o processo de replicação em diferentes estágios.

Esta variedade de moléculas pode ser separada de acordo com o seu comprimento e a identidade nucleotídica é lida por meio da emissão de luz do marcador fluorescente.

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Sequenciamento de próxima geração

As técnicas de seqüenciamento desenvolvidas nos últimos anos permitem a análise maciça de milhões de amostras simultaneamente.

Entre os métodos mais proeminentes estão a piroseqüenciação, sequenciação por síntese, sequenciação por ligação e a próxima geração de sequenciamento por Ion Torrent.

Referências

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