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Ácido desoxirribonucleico

ácido desoxirribonucleico - Wikilingue - Encydia

«DNA» redirige aqui. Para outras acepciones, veja-se DNA (desambiguación).
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Situação do DNA dentro de uma célula.

O ácido desoxirribonucleico, frequentemente abreviado como DNA (e também DNA, do inglês DeoxyriboNucleic Acid), é um tipo de ácido nucleico, uma macromolécula que faz parte de todas as células. Contém a informação genética usada no desenvolvimento e o funcionamento dos organismos vivos conhecidos e de algum vírus, sendo o responsável por sua transmissão hereditaria.

Desde o ponto de vista químico, o DNA é um polímero de nucleótidos, isto é, um polinucleótido. Um polímero é um composto formado por muitas unidades simples conectadas entre si, como se fosse um longo comboio formado por vagões . No DNA, a cada vagão é um nucleótido, e a cada nucleótido, a sua vez, está formado por um açúcar (a desoxirribosa), uma base nitrogenada (que pode ser adeninaA , timinaT, citosinaC ou guaninaG) e um grupo fosfato que actua como enganche da cada vagão com o seguinte. O que distingue a um vagão (nucleótido) de outro é, então, a base nitrogenada, e por isso a sequência do DNA se especifica nomeando só a sequência de suas bases. A disposição sequencial destas quatro bases ao longo da corrente (o ordenamento dos quatro tipos de vagões ao longo de todo o comboio) é a que codifica a informação genética: por exemplo, uma sequência de DNA pode ser ATGCTAGATCGC... Nos organismos vivos, o DNA apresenta-se como uma dupla corrente de nucleótidos, na que as duas fibras estão unidas entre si por umas conexões denominadas pontes de hidrógeno.

Para que a informação que contém o DNA possa ser utilizada pela maquinaria celular, deve se copiar em primeiro lugar em uns comboios de nucleótidos, mais curtos e com umas unidades diferentes, chamados ARN. As moléculas de ARN copiam-se exactamente do DNA mediante um processo denominado transcrição. Uma vez processadas no núcleo celular, as moléculas de ARN podem sair ao citoplasma para sua utilização posterior. A informação contida no ARN interpreta-se usando o código genético, que especifica a sequência dos aminoácidos das proteínas, segundo uma correspondência de um triplete de nucleótidos (codón) para a cada aminoácido. Isto é, a informação genética (essencialmente: que proteínas se vão produzir na cada momento do ciclo de vida de uma célula) se acha codificada nas sequências de nucleótidos do DNA e deve se traduzir para poder ser empregue. Tal tradução realiza-se empregando o código genético a modo de dicionário. O dicionário "sequência de nucleótido-sequência de aminoácidos" permite o montado de longas correntes de aminoácidos (as proteínas) no citoplasma da célula. Por exemplo, no caso da sequência de DNA indicada dantes (ATGCTAGATCGC...), a ARN polimerasa utilizaria como molde a corrente complementar de dita sequência de DNA (que seria TAC-GAT-CTA-GCG-...) para transcribir uma molécula de ARNm que ler-se-ia AUG-CUA-GAU-CGC-... ; o ARNm resultante, utilizando o código genético, traduzir-se-ia como a sequência de aminoácidos metionina-leucina-ácido aspártico-arginina-...

As sequências de DNA que constituem a unidade fundamental, física e funcional da herança se denominam genes. A cada gene contém uma parte que se transcribe a ARN e outra que se encarrega de definir quando e onde devem se expressar. A informação contida nos genes (genética) emprega-se para gerar ARN e proteínas, que são os componentes básicos das células, os "tijolos" que se utilizam para a construção dos orgánulos celulares, entre outras funções.

Dentro das células, o DNA está organizado em estruturas chamadas cromosomas que, durante o ciclo celular, se duplicam dantes de que a célula se divida. Os organismos eucariotas (por exemplo, animais, plantas, e hongos) armazenam a imensa maioria de seu DNA dentro do núcleo celular e uma mínima parte nos elementos celulares chamados mitocondrias, e nos plastos e os Centros Organizadores de Microtúbulos ou Centríolos, em caso de tê-los; os organismos procariotas (bactérias e arqueas) armazenam-no no citoplasma da célula, e, por último, o vírus DNA fazem-no no interior da cápsida de natureza proteica. Existem multidão de proteínas, como por exemplo as histonas e os factores de transcrição, que se unem ao DNA dotando de uma estrutura tridimensional determinada e regulando sua expressão. Os factores de transcrição reconhecem sequências reguladoras do DNA e especificam a pauta de transcrição dos genes. O material genético completo de uma dotação cromosómica denomina-se genoma e, com pequenas variações, é característico da cada espécie.

Conteúdo

História

Veja-se também: História da genética
Friedrich Miescher, médico suíço falecido em 1895.

O DNA foi isolado por vez primeira durante o inverno de 1869 pelo médico suíço Friedrich Miescher enquanto trabalhava na Universidade de Tubinga. Miescher realizava experimentos a respeito da composição química do pus de vendas quirúrgicas eliminadas quando notou um precipitado de uma substância desconhecida que caracterizou quimicamente mais tarde.[1] [2] Chamou-o "nucleína", como tinha-o extraído a partir de núcleos celulares.[3] Precisaram-se quase 70 anos de investigação para poder identificar os componentes e a estrutura dos ácidos nucleicos.

Em 1919 Phoebus Levene identificou que um nucleótido está formado por uma base, um açúcar e um fosfato.[4] Levene sugeriu que o DNA formava uma estrutura com forma de solenoide (berço) com unidades de nucleótidos unidos através dos grupos fosfato. Em 1930 Levene e seu maestro Albrecht Kossel provaram que a nucleína de Miescher é um ácido desoxirribonucleico (DNA) formado por quatro bases nitrogenadas (citosina (C), timina (T), adenina (A) e guanina (G)), o açúcar desoxirribosa e um grupo fosfato, e que, em sua estrutura básica, o nucleótido está composto por um açúcar unido à base e ao fosfato.[5] No entanto, Levene pensava que a corrente era curta e que as bases se repetiam em uma ordem fixa. Em 1937 William Astbury produziu o primeiro padrão de difracción de raios X que mostrava que o DNA tinha uma estrutura regular.[6]

Maclyn McCarty com Francis Crick e James D Watson.

A função biológica do DNA começou a dilucidarse em 1928, com uma série básica de experimentos da genética moderna realizados por Frederick Griffith, quem estava a trabalhar com cepas "lisas" (S) ou "rugosas" (R) da bactéria Pneumococcus (causante da pneumonia), segundo a presença (S) ou não (R) de uma cápsula azucarada que é a que confere virulencia (se veja também experimento de Griffith). A inyección de neumococos S vivos em ratos produz a morte destes, e Griffith observou que se injectava ratos com neumococos R vivos ou com neumococos S morridos por calor, os ratos não morriam. No entanto, se injectava ao mesmo tempo neumococos R vivos e neumococos S morridos, os ratos morriam, e em seu sangue podiam-se isolar neumococos S vivos. Como as bactérias morridas não puderam se ter multiplicado dentro do rato, Griffith razonó que devia se produzir algum tipo de mudança ou transformação de um tipo bacteriano a outro por médio de uma transferência de alguma substância activa, que denominou princípio transformante". Esta substância proporcionava a capacidade aos neumococos R de produzir uma cápsula azucarada e transformar-se assim em virulentas. Nos seguintes 15 anos, estes experimentos iniciais foram duplicados misturando diferentes tipos de cepas bacterianas morridas pelo calor com outras vivas, tanto em ratos (invivo ) como em canos de ensaio (in vitro).[7] A busca do «factor transformante» que era capaz de fazer virulentas a cepas que inicialmente não o eram continuou até 1944, ano no qual Oswald Avery, Colin MacLeod e Maclyn McCarty realizaram um experimento hoje clássico. Estes pesquisadores extraíram a fracção activa (o factor transformante), e mediante análises químicas, enzimáticos e serológicos, observaram que não continha proteínas, nem lípidos não unidos, nem polisacáridos activos, senão que estava constituído principalmente por "uma forma viscosa de ácido desoxirribonucleico altamente polimerizado", isto é, DNA. O DNA extraído das cepas bacterianas S morridas pelo calor misturaram-no "in vitro" com cepas R vivas: o resultado foi que se formaram colónias bacterianas S, pelo que se concluiu inequivocamente que o factor ou princípio transformante era o DNA.[8] Apesar de que a identificação do DNA como princípio transformante ainda demorou em vários anos em ser universalmente aceitada, esta descoberta foi decisiva no conhecimento da base molecular da herança, e constitui o nascimento da genética molecular. Finalmente, o papel exclusivo do DNA na heredabilidad foi confirmado em 1952 mediante os experimentos de Alfred Hershey e Martha Chase, nos quais comprovaram que o fago T2 transmitia sua informação genética em seu DNA, mas não em sua proteína[9] (se veja também experimento de Hershey e Chase).

Quanto à caracterização química da molécula, em 1940 Chargaff realizou alguns experimentos que lhe serviram para estabelecer as proporções das bases nitrogenadas no DNA. Descobriu que as proporções de purinas eram idênticas às de pirimidinas; a "equimolecularidad" das bases ([A]=[T], [G]=[C]) e que a quantidade de G+C em uma determinada molécula de DNA não sempre tanto faz à quantidade de A+T e pode variar desde o 36% ao 70% do conteúdo total.[5] Com esta informação e junto com os dados de difracción de raios X proporcionados por Rosalind Franklin; James Watson e Francis Crick propuseram em 1953 o modelo da dupla hélice de DNA para representar a estrutura tridimensional do polímero.[10] Em uma série de cinco artigos no mesmo número de Nature publicou-se a evidência experimental que apoiava o modelo de Watson e Crick.[11] Destes, o artigo de Franklin e Raymond Gosling foi a primeira publicação com dados de difracción de raios X que apoiava o modelo de Watson e Crick,[12] [13] e em dito número de Nature também aparecia um artigo sobre a estrutura do DNA de Maurice Wilkins e seus colaboradores.[14]

Em 1962, após a morte de Franklin, os cientistas Watson, Crick e Wilkins receberam conjuntamente o Prêmio Nobel em Fisiología ou Medicina.[15] No entanto, o debate continua sobre quem deveria receber crédito pela descoberta.[16]

Propriedades físicas e químicas

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Estrutura química do DNA: duas correntes de nucleótidos conectadas mediante pontes de hidrógeno, que aparecem como linhas punteadas.

O DNA é um longo polímero formado por unidades repetitivas, os nucleótidos.[17] [18] Uma dupla corrente de DNA mede de 22 a 26 angstroms (2,2 a 2,6 nanómetros) de largo, e uma unidade (um nucleótido) mede 3,3 Å (0,33 nm) de longo.[19] Ainda que a cada unidade individual que se repete é muito pequena, os polímeros de DNA podem ser moléculas enormes que contêm milhões de nucleótidos . Por exemplo, o cromosoma humano mais longo, o cromosoma número 1, tem aproximadamente 220 milhões de pares de bases.[20]

Nos organismos vivos, o DNA não costuma existir como uma molécula individual, senão como um casal de moléculas estreitamente sócias. As duas correntes de DNA se enroscan sobre si mesmas formando uma espécie de escada de caracol, denominada dupla hélice. O modelo de estrutura em dupla hélice foi proposto em 1953 por James Watson e Francis Crick (o artigo Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid foi publicado o 25 de abril de 1953 em Nature ).[21] O sucesso deste modelo radicaba em sua consistência com as propriedades físicas e químicas do DNA. O estudo mostrava ademais que a complementariedad de bases podia ser relevante em sua replicação, e também a importância da sequência de bases como portador de informação genética.[22] [23] [24] A cada unidade que se repete, o nucleótido, contém um segmento da estrutura de suporte (açúcar + fosfato), que mantém a corrente unida, e uma base, que interacciona com a outra corrente de DNA na hélice. Em general, uma base unida a um açúcar denomina-se nucleósido e uma base unida a um açúcar e a um ou mais grupos fosfatos recebe o nome de nucleótido . Quando muitos nucleótidos se encontram unidos, como ocorre no DNA, o polímero resultante se denomina polinucleótido.[25]

Componentes

Estrutura de suporte: A estrutura de suporte de uma fibra de DNA está formada por unidades alternadas de grupos fosfato e açúcar.[26] O açúcar no DNA é uma pentosa, concretamente, a desoxirribosa.

Enlace fosfodiéster. O grupo fosfato une o carbono 5' do açúcar de um nucleósido com o carbono 3' do seguinte.
Sua fórmula química é H3PO4. A cada nucleótido pode conter um (monofosfato: AMP), dois (difosfato: ADP) ou três (trifosfato: ATP) grupos de ácido fosfórico, ainda que como monómeros constituintes dos ácidos nucleicos só aparecem em forma de nucleósidos monofosfato.
É um monosacárido de 5 átomos de carbono (uma pentosa) derivado da ribosa, que faz parte da estrutura de nucleótidos do DNA. Sua fórmula é C5H10Ou4. Uma das principais diferenças entre o DNA e o ARN é o açúcar, pois no ARN a 2-desoxirribosa do DNA é substituída por uma pentosa alternativa, a ribosa.[24]
As moléculas de açúcar unem-se entre si através de grupos fosfato, que formam enlaces fosfodiéster entre os átomos de carbono terceiro (3′, «três prima») e quinto (5′, «cinco prima») de dois anéis adjacentes de açúcar. A formação de enlaces asimétricos implica que a cada fibra de DNA tem uma direcção. Em uma dupla hélice, a direcção dos nucleótidos em uma fibra (3′ → 5′) é oposta à direcção na outra fibra (5′ → 3′). Esta organização das fibras de DNA denomina-se antiparalela; são correntes paralelas, mas com direcções opostas. Da mesma maneira, os extremos asimétricos das fibras de DNA denominam-se extremo 5′ («cinco prima») e extremo 3′ («três prima») respectivamente.
As quatro bases nitrogenadas maioritárias que se encontram no DNA são a adenina (abreviado A), citosina (C), guanina (G) e timina (T). A cada uma destas quatro bases está unida ao armazón de açúcar-fosfato através do açúcar para formar o nucleótido completo (baseie açúcar-fosfato). As bases são compostos heterocíclicos e aromáticos com duas ou mais átomos de nitrógeno , e, dentro das bases maioritárias, classificam-se em dois grupos: as bases púricas ou purinas (adenina e guanina), derivadas da purina e formadas por dois anéis unidos entre si, e as bases pirimidínicas ou pirimidinas (citosina e timina), derivadas da pirimidina e com um sozinho anel.[24] Nos ácidos nucleicos existe uma quinta base pirimidínica, denominada uracilo (Ou), que normalmente ocupa o lugar da timina no ARN e difere desta em que carece de um grupo metilo em seu anel. O uracilo não se encontra habitualmente no DNA, só aparece raramente como um produto residual da degradação da citosina por processos de desaminación oxidativa.
Timina: 2, 4-dioxo, 5-metilpirimidina.
No código genético representa-se com a letra T. É um derivado pirimidínico com um grupo oxo nas posições 2 e 4, e um grupo metil na posição 5. Forma o nucleósido timidina (sempre desoxitimidina já que só aparece no DNA) e o nucleótido timidilato ou timidina monofosfato (dTMP). No DNA, a timina sempre se empareja com a adenina da corrente complementar mediante 2 pontes de hidrógeno, T=A .Sua fórmula química é C5H6N2Ou2 e sua nomenclatura 2, 4-dioxo, 5-metilpirimidina.
Citosina: 2-oxo, 4-aminopirimidina.
No código genético representa-se com a letra C. É um derivado pirimidínico, com um grupo amino em posição 4 e um grupo oxo em posição 2. Forma o nucleósido citidina (desoxicitidina no DNA) e o nucleótido citidilato ou (desoxi)citidina monofosfato (dCMP no DNA, CMP no ARN). A citosina sempre se empareja no DNA com a guanina da corrente complementar mediante um triplo enlace, C≡G. Sua fórmula química é C4H5N3Ou e sua nomenclatura 2-oxo, 4 aminopirimidina. Sua massa molecular é de 111,10 unidades de massa atómica. A citosina foi descoberta em 1894 quando foi isolada em tecido da fraude de carnero.
Adenina: 6-aminopurina.
No código genético representa-se com a letra A .É um derivado da purina com um grupo amino na posição 6. Forma o nucleósido adenosina (desoxiadenosina no DNA) e o nucleótido adenilato ou (desoxi)adenosina monofosfato (dAMP, AMP). No DNA sempre se empareja com a timina da corrente complementar mediante 2 pontes de hidrógeno, A=T. Sua fórmula química é C5H5N5 e sua nomenclatura 6-aminopurina. A adenina, junto com a timina, foi descoberta em 1885 pelo médico alemão Albrecht Kossel.
Arquivo:Guanina.png
Guanina: 6-oxo, 2-aminopurina.
No código genético representa-se com a letra G. É um derivado púrico com um grupo oxo na posição 6 e um grupo amino na posição 2. Forma o nucleósido (desoxi)guanosina e o nucleótido guanilato ou (desoxi)guanosina monofosfato (dGMP, GMP). A guanina sempre se empareja no DNA com a citosina da corrente complementar mediante três enlaces de hidrógeno, G≡C. Sua fórmula química é C5H5N5Ou e sua nomenclatura 6-oxo, 2-aminopurina.

Também existem outras bases nitrogenadas (as chamadas bases nitrogenadas minoritárias), derivadas de forma natural ou sintética de alguma outra base maioritária. O são por exemplo a hipoxantina, relativamente abundante no tRNA, ou a cafeína, ambas derivadas da adenina; outras, como o aciclovir, derivadas da guanina, são análogos sintéticos usados em terapia antiviral; outras, como uma das derivadas do uracilo, são antitumorales.

As bases nitrogenadas têm uma série de características que lhes conferem umas propriedades determinadas. Uma característica importante é seu carácter aromático, consequência da presença no anel de duplos enlaces em posição conjugada. Isso lhes confere a capacidade de absorver luz na zona ultravioleta do espectro em torno dos 260 nm, o qual pode ser aproveitado para determinar o coeficiente de extinção do DNA e achar a concentração existente dos ácidos nucleicos. Outra de suas características é que apresentam tautomería ou isomería de grupos funcionais como um átomo de hidrógeno unido a outro átomo pode migrar a uma posição vizinha; nas bases nitrogenadas dão-se dois tipos de tautomerías: tautomería lactama-lactima, onde o hidrógeno migra do nitrógeno ao oxigénio do grupo oxo (forma lactama) e vice-versa (forma lactima), e tautomería imina-amina primária, onde o hidrógeno pode estar a formar o grupo amina (forma amina primária) ou migrar ao nitrógeno adjacente (forma imina). A adenina só pode apresentar tautomería amina imina, a timina e o uracilo mostram tautomería duplo lactama-lactima, e a guanina e citosina podem apresentar ambas. Por outro lado, e ainda que trate-se de moléculas apolares, as bases nitrogenadas apresentam suficiente carácter polar como para estabelecer pontes de hidrógeno, já que têm átomos muito electronegativos (nitrógeno e oxigénio) apresentando ónus parcial negativa, e átomos de hidrógeno com ónus parcial positiva, de maneira que se formam dipolos que permitem que se formem estes enlaces débis.

Estima-se que o genoma humano haploide tem ao redor de 3.000 milhões de pares de bases. Para indicar o tamanho das moléculas de DNA indica-se o número de pares de bases, e como derivados há duas unidades de medida muito utilizadas, a kilobase (kb), que equivale a 1.000 pares de bases, e a megabase (Mb), que equivale a um milhão de pares de bases.

Apareamiento de bases

Veja-se também: Par de bases
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Um par de bases C≡G com três pontes de hidrógeno.
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Um par A=T com duas pontes de hidrógeno. As pontes de hidrógeno mostram-se como linhas discontinuas.

A dóble hélice de DNA mantém-se estável mediante a formação de pontes de hidrógeno entre as bases associadas à cada uma das duas fibras. Para a formação de um enlace de hidrógeno uma das bases deve apresentar um "donador" de hidrógenos com um átomo de hidrógeno com ónus parcial positiva (-NH2 ou -NH) e a outra base deve apresentar um grupo "aceptor" de hidrógenos com um átomo carregado electronegativamente (C=Ou ou N). As pontes de hidrógeno são uniões mais débis que os típicos enlaces químicos covalentes, como os que ligam os átomos na cada fibra de DNA, mas mais fortes que interacções hidrófobas individuais, enlaces de Vão der Waals, etc. Como as pontes de hidrógeno não são enlaces covalentes, podem se romper e se formar de novo de forma relativamente singela. Por esta razão, as duas fibras da dupla hélice podem separar-se como uma cremalheira, bem por força mecânica ou por alta temperatura.[27] A dupla hélice estabiliza-se ademais pelo efeito hidrofóbico e o empilhamento, que não estão influenciados pela sequência de bases do DNA.[28]

A cada tipo de base em uma fibra forma um enlace unicamente com um tipo de base na outra fibra, o que se denomina "complementariedad das bases". Segundo isto, as purinas formam enlaces com as pirimidinas, de forma que A se enlaça só com T, e C só com G. A organização de duas nucleótidos juntados ao longo da dupla hélice denomina-se apareamiento de bases. Este emparejamiento corresponde à observação já realizada por Erwin Chargaff (1905-2002),[29] que mostrou que a quantidade de adenina era muito similar à quantidade de timina, e que a quantidade de citosina era igual à quantidade de guanina no DNA. Como resultado desta complementariedad, toda a informação contida na sequência de dupla fibra da hélice de DNA está duplicada na cada fibra, o qual é fundamental durante o processo de replicação do DNA. Efectivamente, esta interacção reversible e específica entre pares de bases complementares é crítica para todas as funções do DNA nos organismos vivos.[17]

Como se indicou anteriormente, os dois tipos de pares de bases formam um número diferente de enlaces de hidrógeno: A=T formam duas pontes de hidrógeno, e C≡G formam três pontes de hidrógeno (ver imagens). O par de bases GC é por tanto mais forte que o par de bases AT. Como consequência, tanto a percentagem de pares de bases GC como a longitude total da dupla hélice de DNA determinam a força da associação entre as duas fibras de DNA. As duplas hélices longas de DNA com alto conteúdo em GC têm fibras que interaccionan mais fortemente que as duplas hélices curtas com alto conteúdo em AT.[30] Por esta razão, as zonas da dupla hélice de DNA que precisam se separar facilmente tendem a ter um alto conteúdo em AT, como por exemplo a sequência TATAAT da Caixa de Pribnow de alguns promotores.[31] No laboratório, a força desta interacção pode medir-se procurando a temperatura requerida para romper as pontes de hidrógeno, a temperatura de fusão (também denominado valor Tm, do inglês melting temperature). Quando todas os pares de bases em uma dupla hélice se fundem, as fibras se separam em solução em duas fibras completamente independentes. Estas moléculas de DNA de fibra simples não têm uma única forma comum, senão que algumas conformaciones são mais estáveis que outras.[32]

Outros tipos de pares de bases

Par de bases A=T de tipo Watson-Crick. Em azul o donador de hidrógenos e em vermelho o aceptor.
Par de bases A=T de tipo Watson-Crick reverso. Em azul o donador de hidrógenos e em vermelho o aceptor. Note-se que a pirimidina tem sofrido um giro de 180º sobre o eixo do carbono 6.

Existem diferentes tipos de pares de bases que se podem formar segundo como se formam as pontes de hidrógeno. Os que encontramos na dupla hélice de DNA são os chamados pares de bases Watson-Crick, mas também existem outros possíveis pares de bases, como os denominados Hoogsteen e Wobble ou oscilante, que podem aparecer em circunstâncias particulares. Ademais, para a cada tipo existe a sua vez o mesmo par reverso, isto é, o que se dá se se gira a base pirimidínica 180º sobre seu eixo.

Ao todo, em sua forma tautomérica maioritária, existem 28 possíveis pares de bases nitrogenadas: 10 possíveis pares de bases purina-pirimidina (2 pares Watson-Crick e 2 Watson Crick reverso, 1 par Hoogsteen e 2 pares Hoogsteen reverso, 1 par oscilante e 2 pares oscilante reverso), 7 pares homo purina-purina (A=A, G=G), 4 pares A=G e 7 pares pirimidina-pirimidina. Isto sem contar com os pares de bases que podem se formar se também temos em conta as outras formas tautoméricas minoritárias das bases nitrogenadas; estes, ademais, podem ser responsáveis por mutaciones pontuas por substituição de tipo transição.

Estrutura

O DNA é uma molécula bicatenaria, isto é, está formada por duas correntes dispostas de forma antiparalela e com as bases nitrogenadas enfrentadas. Em sua estrutura tridimensional, distinguem-se diferentes níveis:[33] [34]

  1. Estrutura primária:
    • Sequência de nucleótidos encadeados. É nestas correntes onde se encontra a informação genética, e dado que o esqueleto é o mesmo para todos, a diferença da informação radica na diferente sequência de bases nitrogenadas. Esta sequência apresenta um código, que determina uma informação ou outra, segundo a ordem das bases.
  2. Estrutura secundária:
    • É uma estrutura em dupla hélice. Permite explicar o armazenamento da informação genética e o mecanismo de duplicación do DNA. Foi postulada por Watson e Crick, baseando-se na difracción de raios X que tinham realizado Franklin e Wilkins, e na equivalencia de bases de Chargaff, segundo a qual, a soma de adeninas mais guaninas tanto faz à soma de timinas mais citosinas.
    • É uma corrente dupla, dextrógira ou levógira, segundo o tipo de DNA. Ambas correntes são complementares, pois a adenina e a guanina de uma corrente se unem, respectivamente, à timina e a citosina da outra. Ambas correntes são antiparalelas, pois o extremo 3´ de uma se enfrenta ao extremo 5´ da homóloga.
    • Existem três modelos de DNA. O DNA de tipo B é o mais abundante e é o descoberto por Watson e Crick.
  3. Estrutura terciária:
    1. Em procariotas o DNA se pliega como uma súper-hélice, geralmente em forma circular e sócia a uma pequena quantidade de proteínas. O mesmo ocorre em orgánulos celulares como as mitocondrias e nos cloroplastos.
    2. Em eucariotas , dado que a quantidade de DNA da cada cromosoma é muito grande, o empaquetamiento tem de ser mais complexo e compacto; para isso se precisa a presença de proteínas, como as histonas e outras proteínas de natureza não histónica (nos espermatozoides estas proteínas são as protaminas).[33]

Estruturas em dupla hélice

De esquerda a direita, as estruturas de DNA A, B e Z.

O DNA existe em muitas conformaciones.[26] No entanto, em organismos vivos só se observaram as conformaciones DNA-A , DNA-B e DNA-Z. A conformación que adopta o DNA depende de sua sequência, a quantidade e direcção de superenrollamiento que apresenta, a presença de modificações químicas nas bases e as condições da solução, tais como a concentração de iones de metais e poliaminas.[35] Das três conformaciones, forma-a "B" é a mais comum nas condições existentes nas células.[36] As duas duplas hélices alternativas do DNA diferem em sua geometria e dimensões.

A forma "A" é um torque que gira para a direita, mais ampla que o "B", com uma hendidura menor superficial e mais ampla, e uma hendidura maior mais estreita e profunda. A forma "A" ocorre em condições não fisiológicas em formas deshidratadas de DNA, enquanto na célula pode se produzir em apareamientos híbridos de fibras DNA-ARN, além de em complexos enzima-DNA.[37] [38]

Os segmentos de DNA nos que as bases têm sido modificadas por metilación podem sofrer mudanças conformacionales maiores e adoptar a forma "Z". Neste caso, as fibras giram ao redor do eixo da hélice em um torque que gira a mão esquerda, o oposto à forma "B" mais frequente.[39] Estas estruturas pouco frequentes podem ser reconhecidas por proteínas específicas que se unem a DNA-Z e possivelmente estejam implicadas na regulação da transcrição.[40]

Estruturas em cuádruplex

Estrutura de um DNA em cuádruplex formada por repetições nos telómeros. A conformación da estrutura de suporte do DNA difere significativamente da típica estrutura em hélice.[41]

Nos extremos dos cromosomas lineares existem regiões especializadas de DNA denominadas telómeros. A função principal destas regiões é permitir à célula replicar os extremos cromosómicos utilizando a enzima telomerasa, já que as enzimas que replicam o resto do DNA não podem copiar os extremos 3' dos cromosomas.[42] Estas terminações cromosómicas especializadas também protegem os extremos do DNA, e previnem que os sistemas de reparo do DNA na célula os processem como DNA danificado que deve ser corrigido.[43] Nas células humanas, os telómeros são longas zonas de DNA de fibra singela que contêm alguns milhares de repetições de uma única sequência TTAGGG.[44]

Estas sequências ricas em guanina podem estabilizar os extremos cromosómicos mediante a formação de estruturas de jogos empilhados de unidades de quatro bases, em lugar dos pares de bases encontrados normalmente em outras estruturas de DNA. Neste caso, quatro bases guanina formam unidades com superfície plana que se empilham uma sobre outra, para formar uma estrutura cuádruplex-G estável.[45] Estas estruturas estabilizam-se formando pontes de hidrógeno entre os extremos das bases e a quelatación de um metal iónico no centro da cada unidade de quatro bases.[46] Também se podem formar outras estruturas, com o jogo central de quatro bases procedente, ou bem de uma fibra singela dobrada ao redor das bases, ou bem de várias fibras paralelas diferentes, de forma que a cada uma contribui uma base à estrutura central.

Além destas estruturas empilhadas, os telómeros também formam longas estruturas em laço, denominadas laços teloméricos ou laços-T (T-loops em inglês). Neste caso, as fibras simples de DNA se enroscan sobre si mesmas em um amplo círculo estabilizado por proteínas que se unem a telómeros.[47] No extremo do laço-T, o DNA telomérico de fibra singela sujeita-se a uma região de DNA de dupla fibra porque a fibra de DNA telomérico altera a dupla hélice e junta-se a uma das duas fibras. Esta estrutura de triplo fibra denomina-se laço de deslocação ou laço-D (D-loop).[45]

Hendiduras maior e menor

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Animação da estrutura de uma secção de DNA. As bases encontram-se horizontalmente entre as duas fibras em torque. Versão ampliada[48]
Arquivo:Levo dextro.png
Dupla hélice: a) Dextrógira, b) Levógira

A dupla hélice é um torque dextrógira, isto é, a cada uma das correntes de nucleótidos gira a direitas; isto pode se verificar se nos fixamos, indo de abaixo a acima, na direcção que seguem os segmentos das fibras que ficam em primeiro plano. Se as duas fibras giram a direitas diz-se que a dupla hélice é dextrógira, e se giram a esquerdas, levógira (esta forma pode aparecer em hélices alternativas devido a mudanças conformacionales no DNA). Mas na conformación mais comum que adopta o DNA, a dupla hélice é dextrógira, girando a cada par de bases com respeito ao anterior uns 36º.[49]

Quando as duas fibras de DNA se enrollan uma sobre a outra (seja a direitas ou a esquerdas), se formam ocos ou hendiduras entre uma fibra e a outra, deixando expostos os laterais das bases nitrogenadas do interior (ver a animação). Na conformación mais comum que adopta o DNA aparecem, como consequência dos ângulos formados entre os açúcares de ambas correntes da cada par de bases nitrogenadas, dois tipos de hendiduras ao redor da superfície da dupla hélice: uma delas, a hendidura ou surco maior, que mede 22 Å (2,2 nm) de largo, e a outra, a hendidura ou surco menor, que mede 12 Å (1,2 nm) de largo.[50] A cada voltada de hélice, que é quando esta tem realizado um giro de 360º ou o que é o mesmo, de princípio de hendidura maior a final de hendidura menor, medirá por tanto 34 Å, e na cada uma dessas voltas há uns 10,5 pb.
Hendiduras maior e menor da dupla hélice.
A largura da hendidura maior implica que os extremos das bases são mais acessíveis nesta, de forma que a quantidade de grupos químicos expostos também é maior o qual facilita a diferenciación entre os pares de bases A-T, T-A, C-G, G-C. Como consequência disso, também ver-se-á facilitado o reconhecimento de sequências de DNA por parte de diferentes proteínas sem a necessidade de abrir a dupla hélice. Assim, proteínas como os factores de transcrição que podem se unir a sequências específicas, frequentemente contactam com os laterais das bases expostos na hendidura maior.[51] Pelo contrário, os grupos químicos que ficam expostos na hendidura menor são similares, de forma que o reconhecimento dos pares de bases é mais difícil; por isso se diz que a hendidura maior contém mais informação que a hendidura menor.[49]

Sentido e antisentido

Artigo principal: Antisentido

Uma sequência de DNA denomina-se "sentido" (em inglês, sense) se sua sequência é a mesma que a sequência de um ARN mensageiro que se traduz em uma proteína. A sequência da fibra de DNA complementar denomina-se "antisentido" (antisense). Em ambas fibras de DNA da dupla hélice podem existir tanto sequências sentido, que codifican ARNm, como antisentido, que não o codifican. Isto é, as sequências que codifican ARNm não estão todas presentes em uma sozinha das fibras, senão repartidas entre as duas fibras. Tanto em procariotas como em eucariotas se produzem ARNs com sequências antisentido, mas a função desses ARNs não está completamente clara.[52] Propôs-se que os ARNs antisentido estão implicados na regulação da expressão genética mediante apareamiento ARN-ARN: os ARNs antisentido juntar-se-iam com os ARNm complementares, bloqueando desta forma sua tradução.[53]

Em umas poucas sequências de DNA em procariotas e eucariotas (este facto é mais frequente em plásmidos e vírus), a distinção entre fibras sentido e antisentido é mais difusa, como apresentam genes superpostos.[54] Nestes casos, algumas sequências de DNA têm uma função dupla, codificando uma proteína quando se lê ao longo de uma fibra, e uma segunda proteína quando se lê na direcção contrária ao longo da outra fibra. Em bactérias, esta sobreposição pode estar envolvida na regulação da transcrição do gene,[55] enquanto em vírus os genes superpostos aumentam a quantidade de informação que pode codificarse em seus diminutos genomas.[56]

Superenrollamiento

Estrutura de moléculas de DNA lineares com os extremos fixos e superenrolladas. Por clareza, ignorou-se a estrutura em hélice do DNA.

O DNA pode retorcerse como uma sensata em um processo que se denomina superenrollamiento do DNA («supercoiling», em inglês). Quando o DNA está em um estado "relaxado", uma fibra normalmente gira ao redor do eixo da dupla hélice uma vez a cada 10,4 pares de bases, mas se o DNA está retorcido as fibras podem estar unidas mais estreitamente ou mais relajadamente.[57] Se o DNA está retorcido na direcção da hélice, diz-se que o superenrollamiento é positivo, e as bases se mantêm juntas de forma mais estreita. Se o DNA retorce-se na direcção oposta, o superenrollamiento chama-se negativo, e as bases afastam-se. Na natureza, a maior parte do DNA tem um ligeiro superenrollamiento negativo que é produzido por enzimas denominadas topoisomerasas.[58] Estas enzimas também são necessárias para libertar as forças de torque introduzidas nas fibras de DNA durante processos como a transcrição e a replicação.[59]

Modificações químicas

Cytosine chemical structure.png 5-methylcytosine.png Thymine chemical structure.png
citosina 5-metil-citosina timina
Estrutura da citosina com e sem o grupo metilo. Depois de dê-laaminación, a 5-metil-citosina tem a mesma estrutura que a timina.

Modificações de bases

Veja-se também: Metilación

A expressão dos genes está influenciada pela forma na que o DNA está empacotado em cromosomas, em uma estrutura denominada cromatina. As modificações de bases podem estar implicadas no empaquetamiento do DNA: as regiões que apresentam uma expressão genética baixa ou nula normalmente contêm níveis altos de metilación das bases citosina. Por exemplo, a metilación de citosina produz 5-metil-citosina, que é importante para a inactivación do cromosoma X.[60] O nível médio de metilación varia entre organismos: o verme Caenorhabditis elegans carece de metilación de citosina, enquanto os vertebrados apresentam um nível alto - até 1% de seu DNA contém 5-metil-citosina.[61] Apesar da importância da 5-metil-citosina, esta pode dêsaminarse para gerar uma base timina. As citosinas metiladas são por tanto particularmente sensíveis a mutaciones .[62] Outras modificações de bases incluem a metilación de adenina em bactérias e a glicosilación de uracilo para produzir baseie-a "-J" em kinetoplastos .[63] [64]

Dano do DNA

Veja-se também: Mutación
Benzopireno, o maior mutágeno do fumo, unido ao DNA.[65]

O DNA pode resultar danificado por muitos tipos de mutágenos, que mudam a sequência do DNA: agentes alquilantes, além de radiación electromagnética de alta energia, como luz ultravioleta e raios X. O tipo de dano produzido no DNA depende do tipo de mutágeno. Por exemplo, a luz UV pode danificar ao DNA produzindo dímeros de timina , que se formam por ligamiento cruzado entre bases pirimidínicas.[66] Por outro lado, oxidantes tais como radicais livres ou o peróxido de hidrógeno produzem múltiplos danos, incluindo modificações de bases, sobretudo guanina, e rompimentos de dupla fibra (double-strand breaks).[67] Em uma célula humana qualquer, ao redor de 500 bases sofrem dano oxidativo a cada dia.[68] [69] Destas lesões oxidativas, as mais perigosas são os rompimentos de dupla fibra, já que são difíceis de consertar e podem produzir mutaciones pontuas, inserções e deleciones da sequência de DNA, bem como translocaciones cromosómicas.[70]

Muitos mutágenos posicionam-se entre dois pares de bases adjacentes, pelo que se denominam agentes intercalantes. A maioria dos agentes intercalantes são moléculas aromáticas e planas, como o bromuro de etidio, a daunomicina, a doxorubicina e a talidomida. Para que um agente intercalante possa se integrar entre dois pares de bases, estas devem se separar, distorsionando as fibras de DNA e abrindo a dupla hélice. Isto inhibe a transcrição e a replicação do DNA, causando toxicidad e mutaciones. Por isso, os agentes intercalantes do DNA são com frequência carcinógenos: o benzopireno, as acridinas, a aflatoxina e o bromuro de etidio são exemplos bem conhecidos.[71] [72] [73] No entanto, devido a sua capacidade para inhibir a replicação e a transcrição do DNA, estas toxinas também se utilizam em quimioterapia para inhibir o rápido crescimento das células cancerosas.[74]

O dano no DNA inicia uma resposta que activa diferentes mecanismos de reparo que reconhecem lesões específicas no DNA, que são consertadas no momento para recuperar a sequência original do DNA. Assim mesmo, o dano no DNA provoca uma parada no ciclo celular, que implica a alteração de numerosos processos fisiológicos, que a sua vez implica síntese, transporte e degradação de proteínas (se veja também Checkpoint de danos no DNA). Alternativamente, se o dano genómico é demasiado grande para que possa ser consertado, os mecanismos de controle induzirão a activação de uma série de rotas celulares que culminarão na morte celular.

Funções biológicas

As funções biológicas do DNA incluem o armazenamento de informação (genes e genoma), a codificação de proteínas (transcrição e tradução) e sua autoduplicación (replicação do DNA) para assegurar a transmissão da informação às células filhas durante a divisão celular.

Genes e genoma

Vejam-se também: Núcleo celular, Cromatina, Cromosoma e Genoma

O DNA pode-se considerar como um almacén cujo conteúdo é a informação (mensagem) necessária para construir e sustentar o organismo no que reside, a qual se transmite de geração em geração. O conjunto de informação que cumpre esta função em um organismo dado se denomina genoma, e o DNA que o constitui, DNA genómico.

O DNA genómico (que se organiza em moléculas de cromatina que a sua vez se montam em cromosomas ) se encontra no núcleo celular dos eucariotas, além de pequenas quantidades nas mitocondrias e cloroplastos. Em procariotas , o DNA encontra-se em um corpo de forma irregular denominado nucleoide.[75]

O DNA codificante

ARN polimerasa T7 (azul) produzindo um ARNm (verde) a partir de um molde de DNA (laranja).[76]
Veja-se também: Gene

A informação genética de um genoma está contida nos genes, e ao conjunto de toda a informação que corresponde a um organismo se lhe denomina seu genotipo. Um gene é uma unidade de herança e é uma região de DNA que influi em uma característica particular de um organismo (como a cor dos olhos, por exemplo). Os genes contêm um "marco de leitura aberto" (open reading frame) que pode transcribirse, além de sequências reguladoras, tais como promotores e enhancers, que controlam a transcrição do marco de leitura aberto.

Desde este ponto de vista, as operárias deste mecanismo são as proteínas. Estas podem ser estruturais, como as proteínas dos músculos, cartílagos, cabelo, etc., ou funcionais, como a hemoglobina ou as inumeráveis enzimas do organismo. A função principal da herança é a especificação das proteínas, sendo o DNA uma espécie de plano ou receita para produzí-las. A maior parte das vezes a modificação do DNA provocará uma disfunción proteica que dará lugar ao aparecimento de alguma doença. Mas em determinadas ocasiões, as modificações poderão provocar mudanças beneficiosos que darão lugar a indivíduos melhor adaptados a seu meio.

As aproximadamente trinta mil proteínas diferentes no corpo humano estão constituídas por vinte aminoácidos diferentes, e uma molécula de DNA deve especificar a sequência em que se unem ditos aminoácidos.

No processo de elaborar uma proteína, o DNA de um gene lê-se e se transcribe a ARN . Este ARN serve como mensageiro entre o DNA e a maquinaria que elaborará as proteínas e por isso recebe o nome de ARN mensageiro ou ARNm. O ARN mensageiro serve de molde à maquinaria que elabora as proteínas, para que monte os aminoácidos na ordem precisa para armar a proteína.

O dogma central da biologia molecular estabelecia que o fluxo de actividade e de informação era: DNA → ARN → proteína. Não obstante, na actualidade tem ficado demonstrado que este "dogma" deve ser ampliado, pois se encontraram outros fluxos de informação: em alguns organismos (vírus de ARN) a informação flui de ARN a DNA; este processo conhece-se como "transcrição inversa ou reversa", também telefonema "retrotranscripción". Ademais, sabe-se que existem sequências de DNA que se transcriben a ARN e são funcionais como tais, sem chegar a se traduzir nunca a proteína: são os ARN não codificantes, como é o caso dos ARN interferentes.[33] [34]

O DNA não codificante ("DNA lixo")

O DNA do genoma de um organismo pode dividir-se conceitualmente em dois: o que codifica as proteínas (os genes) e o que não codifica. Em muitas espécies, só uma pequena fracção do genoma codifica proteínas. Por exemplo, só ao redor de 1,5% do genoma humano consiste em exones que codifican proteínas (20.000 a 25.000 genes), enquanto mais de 90% consiste em DNA não codificante.[77]

O DNA não codificante (também denominado DNA lixo ou junk DNA) corresponde a sequências do genoma que não geram uma proteína (procedentes de transposiciones, duplicaciones, translocaciones e recombinaciones de vírus, etc.), incluindo os intrones. Até faz pouco tempo pensava-se que o DNA não codificante não tinha utilidade alguma, mas estudos recentes indicam que isso é inexacto. Entre outras funções, se postula que o chamado "DNA lixo" regula a expressão diferencial dos genes.[78] Por exemplo, algumas sequências têm afinidad para proteínas especiais que têm a capacidade de unir ao DNA (como os homeodominios, os complexos receptores de hormonas esteroides, etc.), com um papel importante no controle dos mecanismos de trascripción e replicação. Estas sequências chamam-se frequentemente "sequências reguladoras", e os pesquisadores supõem que só se identificou uma pequena fracção das que realmente existem. A presença de tanto DNA não codificante em genomas eucarióticos e as diferenças em tamanho do genoma entre espécies representam um mistério que é conhecido como o "enigma do valor de C".[79] Recentemente, um grupo de pesquisadores da Universidade de Yale tem descoberto uma sequência de DNA não codificante que seria a responsável por que os seres humanos tenham desenvolvido a capacidade de agarrar e/ou manipular objectos ou ferramentas.[80]

Por outro lado, algumas sequências de DNA desempenham um papel estrutural nos cromosomas: os telómeros e centrómeros contêm poucos ou nenhum gene codificante de proteínas, mas são importantes para estabilizar a estrutura dos cromosomas. Alguns genes não codifican proteínas, mas sim se transcriben em ARN: ARN ribosómico, ARN de transferência e ARN de interferência (ARNi, que são ARN que bloqueiam a expressão de genes específicos). A estrutura de intrones e exones de alguns genes (como os de inmunoglobulinas e protocadherinas) são importantes por permitir os cortes e juntes alternativos do pré-ARN mensageiro que fazem possível a síntese de diferentes proteínas a partir de um mesmo gene (sem esta capacidade não existiria o sistema inmune, por exemplo). Algumas sequências de DNA não codificante representam pseudogenes que têm valor evolutivo, já que permitem a criação de novos genes com novas funções.[34] Outros DNA não codificantes procedem da duplicación de pequenas regiões do DNA; isto tem muita utilidade, já que o rastreamento destas sequências repetitivas permite estudos de filogenia .

Transcrição e tradução

Em um gene, a sequência de nucleótidos ao longo de uma fibra de DNA se transcribe a um ARN mensageiro (ARNm) e esta sequência a sua vez traduz-se a uma proteína que um organismo é capaz de sintetizar ou "expressar" em um ou vários momentos de sua vida, usando a informação de dita sequência.

A relação entre a sequência de nucleótidos e a sequência de aminoácidos da proteína vem determinada pelo código genético, que se utiliza durante o processo de tradução ou síntese de proteínas. A unidade codificadora do código genético é um grupo de três nucleótidos (triplete), representado pelas três letras iniciais das bases nitrogenadas (por ej., ACT, CAG, TTT). Os tripletes do DNA se transcriben em suas bases complementares no ARN mensageiro, e neste caso os tripletes denominam-se codones (para o exemplo anterior, UGA, GUC, AAA). No ribosoma a cada codón do ARN mensageiro interacciona com uma molécula de ARN de transferência (ARNt ou tRNA) que contenha o triplete complementar, denominado anticodón. A cada ARNt porta o aminoácido correspondente ao codón de acordo com o código genético, de modo que o ribosoma vai unindo os aminoácidos para formar uma nova proteína de acordo com as "instruções" da sequência do ARNm. Existem 64 codones possíveis, pelo qual corresponde mais de um para a cada aminoácido (por esta duplicidad de codones se diz que o código genético é um código degenerado: não é unívoco); alguns codones indicam a terminação da síntese, o fim da sequência codificante; estes codones de terminação ou codones de parada são UAA, UGA e UAG (em inglês, nonsense codons ou stop codons).[33]

Replicação do DNA

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Esquema representativo da replicação do DNA.
Artigo principal: Replicação de DNA

A replicação do DNA é o processo pelo qual se obtêm cópias ou réplicas idênticas de uma molécula de DNA. A replicação é fundamental para a transferência da informação genética de uma geração à seguinte e, portanto, é a base da herança. O mecanismo consiste essencialmente na separação das duas fibras da dupla hélice, as quais servem de molde para a posterior síntese de correntes complementares à cada uma delas. O resultado final são duas moléculas idênticas à original. Este tipo de replicação denomina-se semiconservativa como a cada uma das duas moléculas resultantes da duplicación apresenta uma corrente procedente da molécula mãe e outra recém sintetizada.

Interacções DNA-proteína

Todas as funções do DNA dependem de suas interacções com proteínas. Estas interacções podem ser inespecíficas, ou bem a proteína pode se unir de forma específica a uma única sequência de DNA. Também podem se unir enzimas, entre as quais são particularmente importantes as polimerasas, que copiam a sequência de bases do DNA durante a transcrição e a replicação.

Proteínas que unem DNA

Interacções inespecíficas

Nucleosome 2.jpg
Nucleosome (opposites attracts).JPG
Interacção de DNA com histonas (em alvo, acima). Os aminoácidos básicos destas proteínas (abaixo à esquerda, em azul) unem-se aos grupos ácidos dos fosfatos do DNA (abaixo à direita, em vermelho).

As proteínas estruturais que se unem ao DNA são exemplos bem conhecidos de interacções inespecíficas DNA-proteínas. Nos cromosomas, o DNA encontra-se formando complexos com proteínas estruturais. Estas proteínas organizam o DNA em uma estrutura compacta denominada cromatina. Em eucariotas esta estrutura implica a união do DNA a um complexo formado por pequenas proteínas básicas denominadas histonas, enquanto em procariotas estão envolvidas uma grande variedade de proteínas.[81] [82] As histonas formam um complexo de forma cilíndrica denominado nucleosoma, em torno do qual se enrollan quase duas voltas de DNA de dupla hélice. Estas interacções inespecíficas ficam determinadas pela existência de residuos básicos nas histonas, que formam enlaces iónicos com o esqueleto de açúcar-fosfato do DNA e, por tanto, são em grande parte independentes da sequência de bases.[83] Estes aminoácidos básicos experimentam modificações químicas de metilación , fosforilación e acetilación,[84] que alteram a força da interacção entre o DNA e as histonas, fazendo ao DNA mais ou menos acessível aos factores de transcrição e por tanto modificando a taxa de transcrição.[85]

Outras proteínas que se unem a DNA de maneira inespecífica na cromatina incluem as proteínas do grupo de alta mobilidade (HMG, High Mobility Group) que se unem a DNA dobrado ou distorsionado.[86] Estas proteínas são importantes durante o plegamiento dos nucleosomas, organizando-os em estruturas mais complexas para constituir os cromosomas[87] durante o processo de condensación cromosómica. Propôs-se que neste processo também interviriam outras proteínas, formando uma espécie de "andamio" sobre o qual se organiza a cromatina; os principais componentes desta estrutura seriam a enzima topoisomerasa II α (topoIIalpha) e a condensina 13S.[88] No entanto, o papel estrutural da topoIIalpha na organização dos cromosomas ainda é discutido, já que outros grupos argumentam que esta enzima se troca rapidamente tanto nos braços cromosómicos como nos cinetocoros durante a mitosis.[89]

Interacções específicas

Um grupo bem definido de proteínas que unem DNA é o conformado pelas proteínas que se unem especificamente a DNA monocatenario ou DNA de fibra singela (ssDNA). Em humanos, a proteína A de replicação é a melhor conhecida de sua família e actua em processos nos que a dupla hélice se separa, como a replicação do DNA, a recombinación ou o reparo do DNA.[90] Estas proteínas parecem estabilizar o DNA monocatenario, protegendo-o para evitar que forme estruturas de talho laço (stem-loop) ou que seja degradado por nucleasas .

O factor de transcrição represor do fago lambda unido a seu DNA alvo mediante um motivo hélice-giro hélice (helix-turn-helix).[91]

No entanto, outras proteínas têm evoluído para unir-se especificamente a sequências particulares de DNA. A especificidad da interacção das proteínas com o DNA procede dos múltiplos contactos com as bases de DNA, o que lhes permite "ler" a sequência do DNA. A maioria dessas interacções com as bases ocorre na hendidura maior, onde as bases são mais acessíveis.[92]

As proteínas específicas estudadas com maior detalhe são as encarregadas de regular a transcrição, denominadas por isso factores de transcrição. A cada factor de transcrição une-se a uma sequência concreta de DNA e activa ou inhibe a transcrição dos genes que apresentam estas sequências próximas a seus promotores. Os factores de transcrição podem efectuar isto de duas formas:

Como o DNA alvo podem se encontrar por todo o genoma do organismo, as mudanças na actividade de um tipo de factor de transcrição podem afectar a milhares de genes.[95] Em consequência, estas proteínas são frequentemente os alvos dos processos de transducción de sinais que controlam as respostas a mudanças ambientais ou diferenciación e desenvolvimento celular.

A enzima de restrição EcoRV (verde) formando um complexo com seu DNA alvo.[96]

Enzimas que modificam o DNA

Nucleasas e ligasas

As nucleasas são enzimas que cortam as fibras de DNA mediante a catálisis da hidrólisis dos enlaces fosfodiéster. As nucleasas que hidrolizan nucleótidos a partir dos extremos das fibras de DNA se denominam exonucleasas, enquanto as endonucleasas cortam no interior das fibras. As nucleasas que se utilizam com maior frequência em biologia molecular são as enzimas de restrição, endonucleasas que cortam o DNA por determinadas sequências específicas. Por exemplo, a enzima EcoRV, que se mostra à esquerda, reconhece a sequência de 6 bases 5′-GAT|ATC-3′, e faz um corte em ambas fibras na linha vertical indicada, gerando duas moléculas de DNA com os extremos romos. Outras enzimas de restrição geram no entanto extremos cohesivos, já que cortam de forma diferente as duas fibras de DNA. Na natureza, estas enzimas protegem às bactérias contra as infecções de fagos , ao digerir o DNA de dito fago quando entra através da parede bacteriana, actuando como um mecanismo de defesa.[97] Em biotecnología , estas nucleasas específicas das sequências de DNA utilizam-se em engenharia genética para clonar fragmentos de DNA e na técnica de impressão genética.

As enzimas denominadas DNA ligasas podem reunir fibras de DNA cortadas ou rompidas.[98] As ligasas são particularmente importantes na replicação da fibra que sofre replicação discontinua no DNA, já que unem os fragmentos curtos de DNA gerados na forquilha de replicação para formar uma cópia completa do molde de DNA. Também se utilizam no reparo do DNA e em processos de recombinación genética.[98]

Topoisomerasas e helicasas

As topoisomerasas são enzimas que possuem ao mesmo tempo actividade nucleasa e ligasa. Estas proteínas variam a quantidade de DNA superenrollado. Algumas destas enzimas funcionam cortando a hélice de DNA e permitindo que uma secção rotacione, de maneira que reduzem o grau de superenrollamiento. Uma vez feito isto, a enzima volta a unir os fragmentos de DNA.[58] Outros tipos de enzimas são capazes de cortar uma hélice de DNA e depois passar a segunda fibra de DNA através do rompimento, dantes de reunir as hélices.[99] As topoisomerasas são necessárias para muitos processos nos que intervém o DNA, como a replicação do DNA e a transcrição.[59]

As helicasas são umas proteínas que pertencem ao grupo dos motores moleculares. Utilizam energia química armazenada nos nucleósidos trifosfatos, fundamentalmente ATP, para romper pontes de hidrógeno entre bases e separar a dupla hélice de DNA em fibras simples.[100] Estas enzimas são essenciais para a maioria dos processos nos que as enzimas precisam aceder às bases do DNA.

Polimerasas

As polimerasas são enzimas que sintetizam correntes de nucleótidos a partir de nucleósidos trifosfatos. A sequência de seus produtos são cópias de correntes de polinucleótidos existentes, que se denominam moldes. Estas enzimas funcionam acrescentando nucleótidos ao grupo hidroxilo em 3' do nucleótido prévio em uma fibra de DNA. Em consequência, todas as polimerasas funcionam em direcção 5′ --> 3′.[101] Nos lugares activos destas enzimas, o nucleósido trifosfato que se incorpora junta sua base com a correspondente no molde: isto permite que a polimerasa sintentice de forma precisa a fibra complementar ao molde.

As polimerasas classificam-se de acordo ao tipo de molde que utilizam:

Recombinación genética

Holliday Junction cropped.png
Holliday junction coloured.png
Estrutura de um intermediário em união de Holliday na recombinación genética. As quatro fibras de DNA separadas estão coloridas em vermelho, azul, verde e amarelo.[106]
Artigo principal: Recombinación genética
A recombinación implica o rompimento e reunião de duas cromosomas homólogos (M e F) para produzir dois cromosomas novos reorganizados (C1 e C2).

Uma hélice de DNA normalmente não interacciona com outros segmentos de DNA, e nas células humanas os diferentes cromosomas inclusive ocupam áreas separadas no núcleo celular denominadas territórios cromosómicos”.[107] A separação física dos diferentes cromosomas é importante para que o DNA mantenha sua capacidade de funcionar como um almacén estável de informação. Um dos poucos momentos nos que os cromosomas interaccionan é durante o sobrecruzamiento cromosómico (chromosomal crossover), durante o qual se recombinan. O sobrecruzamiento cromosómico ocorre quando duas hélices de DNA se rompem, se trocam e se unem de novo.

A recombinación permite aos cromosomas trocar informação genética e produz novas combinações de genes, o que aumenta a eficiência da selecção natural e pode ser importante na evolução rápida de novas proteínas.[108] Durante a profase I da meiosis, uma vez que os cromosomas homólogos estão perfeitamente juntados formando estruturas chamadas bivalentes, se produz o fenómeno de sobrecruzamiento ou entrecruzamiento (crossing-over), no qual as cromátidas homólogas não irmãs (procedentes do pai e da mãe) trocam material genético. A recombinación genética resultante faz aumentar em grande parte a variação genética entre a descendencia de progenitores que se reproduzem por via sexual. A recombinación genética também pode estar implicada no reparo do DNA, em particular na resposta celular aos rompimentos de dupla fibra (double-strand breaks).[109]

A forma mais frequente de sobrecruzamiento cromosómico é a recombinación homóloga, na que os dois cromosomas implicados compartilham sequências muito similares. A recombinación não-homóloga pode ser daninha para as células, já que pode produzir translocaciones cromosómicas e anomalías genéticas. A reacção de recombinación está catalizada por enzimas conhecidas como recombinasas, tais como RAD51.[110] O primeiro passo no processo de recombinación é um rompimento de dupla fibra, causada bem por uma endonucleasa ou por dano no DNA.[111] Posteriormente, uma série de passos catalizados em parte pela recombinasa, conduzem à união das duas hélices formando ao menos uma união de Holliday, na que um segmento de uma fibra simples é anillado com a fibra complementar na outra hélice. A união de Holliday é uma estrutura de união tetrahédrica que pode se mover ao longo do par de cromosomas, trocando uma fibra por outra. A reacção de recombinación detém-se pelo corte da união e a reunião dos segmentos de DNA libertados.[112]

Evolução do metabolismo de DNA

Veja-se também: Hipótese do mundo de ARN

O DNA contém a informação genética que permite à maioria dos organismos viventes funcionar, crescer e se reproduzir. No entanto, não está claro durante quanto tempo tem exercido esta função nos 3000 milhões de anos da história da vida, já que se propôs que as formas de vida mais temporãs poderiam ter utilizado ARN como material genético.[113] [114] O ARN poderia ter funcionado como a parte central de um metabolismo primigenio, já que pode transmitir informação genética e simultaneamente actuar como catalizador fazendo parte das ribozimas.[115] Este antigo Mundo de ARN onde os ácidos nucleicos funcionariam como catalizadores e como armazenes de informação genética poderia ter influído na evolução do código genético actual, baseado em quatro nucleótidos. Isto dever-se-ia a que o número de bases únicas em um organismo é um compromisso entre um número pequeno de bases (o que aumentaria a precisão da replicação) e um número grande de bases (que a sua vez aumentaria a eficiência catalítica das ribozimas).[116]

Desgraçadamente, não dispomos de evidência directa dos sistemas genéticos ancestrales porque a recuperação do DNA a partir da maior parte dos fósseis é impossível. Isto se deve a que o DNA é capaz de sobreviver no médio ambiente durante menos de um milhão de anos, e depois começa a se degradar lentamente em fragmentos de menor tamanho em solução.[117] Algumas investigações pretendem que se obteve DNA mais antigo, por exemplo um relatório sobre o isolamento de uma bactéria viável a partir de um cristal salino de 250 milhões de anos de antigüedad,[118] mas estes dados são controvertidos.[119] [120]

No entanto, podem utilizar-se ferramentas de evolução molecular para inferir os genomas de organismos ancestrales a partir de organismos contemporâneos.[121] [122] Em muitos casos, estas inferências são suficientemente fiáveis, de maneira que uma biomolécula codificada em um genoma ancestral pode ressuscitar no laboratório para ser estudada hoje.[123] [124] Uma vez que a biomolécula ancestral se ressuscitou, suas propriedades podem oferecer inferências sobre ambientes e estilos de vida primigenios. Este processo relaciona-se com o campo emergente da paleogenética experimental.[125]

Apesar de tudo, o processo de trabalho para atrás desde o presente tem limitações inherentes, razão pela qual outros pesquisadores tratam de elucidar o mecanismo evolutivo trabalhando desde a origem da Terra em adiante. Dada suficiente informação sobre a química no cosmos, a maneira na que as substâncias cósmicas poderiam se ter depositado na Terra, e as transformações que poderiam ter tido lugar na superfície terrestre primigenia, talvez poderíamos ser capazes de aprender sobre as origens para desenvolver modelos de evolução ulterior da informação genética[126] (se veja também o artigo sobre a origem da vida).

Técnicas comuns

O conhecimento da estrutura do DNA tem permitido o desenvolvimento de multidão de ferramentas tecnológicas que explodem suas propriedades fisicoquímicas para analisar seu envolvimento em problemas concretos: por exemplo, desde análise filogeńeticos para detectar similitudes entre diferentes taxones, à caracterização da variabilidad individual de um paciente em sua resposta a um determinado fármaco, passando por um enfoque global, a nível genómico, de qualquer característica específica em um grupo de indivíduos de interesse. [127]

Podemos classificar as metodologías de análise do DNA naquelas que procuram sua multiplicação, já invivo , como a reacção em corrente da polimerasa (PCR), já in vitro, como a clonagem, e aquelas que explodem as propriedades específicas de elementos concretos, ou de genomas adequadamente clonados. É o caso da secuenciación de DNA e da hibridación com sondas específicas ("southern blot" e chips de DNA).

Tecnologia do DNA recombinante

Artigo principal: DNA recombinante

A tecnologia do DNA recombinante, pedra angular da engenharia genética, permite propagar grandes quantidades de um fragmento de DNA de interesse, o qual se diz que tem sido clonado. Para isso, deve se introduzir dito fragmento em outro elemento de DNA, geralmente um plásmido, que possui em sua sequência os elementos necessários para que a maquinaria celular de um hospedador, normalmente Escherichia coli, o replique. Deste modo, uma vez transformada a cepa bacteriana, o fragmento de DNA clonado reproduz-se a cada vez que aquela se divide.[128]

Para clonar a sequência de DNA de interesse, empregam-se enzimas como ferramentas de corte e junte do fragmento e do vetor (o plásmido). Ditas enzimas correspondem a dois grupos: em primeiro lugar, as enzimas de restrição, que possuem a capacidade de reconhecer e cortar sequências específicas; em segundo lugar, o DNA ligasa, que estabelece um enlace covalente entre extremos de DNA compatíveis[127] (ver secção Nucleasas e ligasas).

Secuenciación

Artigo principal: Secuenciación de DNA

A secuenciación do DNA consiste em dilucidar a ordem dos nucleótidos de um polímero de DNA de qualquer longitude, conquanto costuma dirigir para a determinação de genomas completos, como as técnicas actuais permitem realizar esta secuenciación a grande velocidade, o qual tem sido de grande importância para projectos de secuenciación a grande escala como o Projecto Genoma Humano. Outros projectos relacionados, em ocasiões fruto da colaboração de cientistas a escala mundial, têm estabelecido a sequência completa do DNA de muitos genomas de animais, plantas e microorganismos.

O método de secuenciación de Sanger tem sido o mais empregado durante o século XX. Baseia-se na síntese de DNA em presença de didesoxinucleósidos, compostos que, a diferença dos desoxinucleósidos normais (dNTPs), carecem de um grupo hidroxilo em seu extremo 3'. Ainda que os didesoxinucleótidos trifosfatados (ddNTPs) podem incorporar à corrente em síntese, a carência de um extremo 3'-OH imposibilita a geração de um novo enlace fosfodiéster com o nucleósido seguinte; por tanto, provocam a terminação da síntese. Por esta razão, o método de secuenciación também se denomina «de terminação de corrente». A reacção realiza-se usualmente preparando um cano com o DNA molde, a polimerasa, um cebador, dNTPs convencionais e uma pequena quantidade de ddNTPs marcados fluorescentemente em sua base nitrogenada. Deste modo, o ddTTP pode ir marcado em azul, o ddATP em vermelho, etc. Durante a polimerización, vão-se truncando as correntes crescentes, a esmo, em diferentes posições. Por tanto, produz-se uma série de produtos de diferente tamanho, coincidindo a posição da terminação devido à incorporação do ddNTP correspondente. Uma vez terminada a reacção, é possível correr a mistura em uma electroforesis capilar (que resolve todos os fragmentos segundo sua longitude) na qual se lê a fluorescencia para a cada posição do polímero. Em nosso exemplo, a leitura azul-vermelho-azul-azul traduzir-se-ia como TATT.[129] [130]

Reacção em corrente da polimerasa (PCR)

A reacção em corrente da polimerasa, habitualmente conhecida como PCR por suas siglas em inglês, é uma técnica de biologia molecular descrita em 1986 por Kary Mullis,[131] cujo objectivo é obter um grande número de cópias de um fragmento de DNA dado, partindo de uma escassa quantidade daquele. Para isso, se emprega um DNA polimerasa termoestable que, em presença de uma mistura dos quatro desoxinucleótidos, um tampón da força iónica adequada e os cationes precisos para a actividade da enzima, duas oligonucleótidos (denominados cebadores) complementares a parte da sequência (situados a distância suficiente e em sentido antiparalelo) e baixo umas condições de temperatura adequadas, moduladas por um aparelho denominado termociclador, gera exponencialmente novos fragmentos de DNA semelhantes ao original e dimensionados pelos dois cebadores.[128]

A PCR pode efectuar-se como uma técnica de ponto final, isto é, como uma ferramenta de geração do DNA desejado, ou como um método contínuo, no que se avalie dita polimerización a tempo real. Esta última variante é comum na PCR cuantitativa.[127]

Southern blot

Artigo principal: Southern blot

O método de «hibridación Southern» ou «Southern blot» (o nome original no idioma inglês) permite a detecção de uma sequência de DNA em uma mostra complexa ou não do ácido nucleico. Para isso, combina uma separação mediante massa e ónus (efectuada mediante uma electroforesis em gel) com uma hibridación com uma sonda de ácido nucleico marcada de algum modo (já seja com radiactividad ou com um composto químico) que, depois de várias reacções, dê lugar ao aparecimento de um sinal de cor ou fluorescencia. Dita hibridación realiza-se depois da transferência do DNA separado mediante a electroforesis a uma membrana de filtro. Uma técnica semelhante, mas na qual não se produz a mencionada separação electroforética se denomina dot blot.

O método recebe seu nome em honra a seu inventor, o biólogo inglês Edwin Southern.[132] Por analogia ao método Southern, desenvolveram-se técnicas semelhantes que permitem a detecção de sequências dadas de ARN (método Northern, que emprega sondas de ARN ou DNA marcadas)[133] ou de proteínas específicas (técnica Western, baseada no uso de anticuerpos ).[134]

Chips de DNA

Artigo principal: Chip de DNA
Microarray com 37.500 oligonucleótidos específicos. Acima à esquerda pode-se apreciar uma região ampliada do chip.

Os chips de DNA são colecções de oligonucleótidos de DNA complementar dispostos em fileiras fixadas sobre um suporte, frequentemente de cristal. Utilizam-se para o estudo de mutaciones de genes conhecidos ou para monitorizar a expressão genética de uma preparação de ARN.

Aplicações

Engenharia genética

A investigação sobre o DNA tem um impacto significativo, especialmente no âmbito da medicina, mas também em agricultura e ganadería (onde os objectivos são os mesmos que com as técnicas tradicionais que o homem leva utilizando desde faz milénios - a domesticación, a selecção e as cruzes dirigidos - para obter variedades de animais e plantas mais produtivos). A moderna biologia e bioquímica fazem uso intensivo da tecnologia do DNA recombinante, introduzindo genes de interesse em organismos, com o objectivo de expressar uma proteína recombinante concreta, que pode ser:

Medicina forense

Veja-se também: Impressão genética

Os médicos forenses podem utilizar o DNA presente ao sangue, o semen, a pele, saliva-a ou o cabelo na cena de um crime para identificar ao responsável. Esta técnica denomina-se impressão genética, ou também "perfil de DNA". Ao realizar a impressão genética, compara-se a longitude de secções altamente variáveis de DNA repetitivo, como os microsatélites, entre pessoas diferentes. Este método é frequentemente muito fiável para identificar a um criminoso.[145] No entanto, a identificação pode complicar-se se a cena está contaminada com DNA de pessoas diferentes.[146] A técnica da impressão genética foi desenvolvida em 1984 pelo genetista britânico Sir Alec Jeffreys,[147] e foi utilizada pela primeira vez em medicina forense para condenar a Colin Pitchfork nos assassinatos de Narborough (UK) em 1983 e 1986.[148] Pode-se requerer às pessoas acusadas de certos tipos de crimes que proporcionem uma mostra de DNA para introduzir em um banco# de dados. Isto tem facilitado o labor dos pesquisadores na resolução de casos antigos, onde só se obteve uma mostra de DNA da cena do crime, em alguns casos permitindo exonerar a um preso. A impressão genética também pode se utilizar para identificar vítimas de acidentes em massa,[149] ou para realizar provas de consanguinidade.[150]

Bioinformática

Veja-se também: Bioinformática

A bioinformática implica a manipulação, busca e extracção de informação dos dados da sequência do DNA. O desenvolvimento das técnicas para armazenar e procurar sequências de DNA tem gerado avanços no desenvolvimento de software dos computadores, para muitas aplicações, especialmente algorítmos de busca de frases, aprendizagem automática e teorias de banco# de dados.[151] A busca de frases ou algorítmos de coincidências, que procuram a ocorrência de uma sequência de letras dentro de uma sequência de letras maior, se desenvolveu para procurar sequências específicas de nucleótidos.[152] Em outras aplicações como editores de textos, inclusive algorítmos simples podem funcionar, mas as sequências de DNA podem gerar que estes algorítmos apresentem um comportamento de quase-o-pior-caso, devido ao baixo número de caracteres. O problema relacionado do alineamiento de sequências persegue identificar sequências homólogas e localizar mutaciones específicas que as diferenciam. Estas técnicas, fundamentalmente o alineamiento múltiplo de sequências, utilizam-se ao estudar as relações filogenéticas e a função das proteínas.[153] As colecções de dados que representam sequências de DNA do tamanho de um genoma, tais como as produzidas pelo Projecto Genoma Humano, são difíceis de usar sem anotações, que marcam a localização dos genes e os elementos reguladores na cada cromosoma. As regiões de DNA que têm padrões associados com genes que codifican proteínas – ou ARN – podem se identificar por algorítmos de localização de genes, o que permite aos pesquisadores predizer a presença de produtos genéticos específicos em um organismo inclusive dantes de que tenha sido isolado experimentalmente.[154]

Nanotecnología de DNA

A estrutura de DNA da esquerda (mostrada de forma esquemática) se auto-monta na estrutura visualizada por microscopía de força atómica à direita. A nanotecnología de DNA é o campo que procura desenhar estruturas a nanoescala utilizando as propriedades de reconhecimento molecular das moléculas de DNA. Imagem de Strong, 2004. Modelo:Doi-inline
Veja-se também: Nanotecnología

A nanotecnología de DNA utiliza as propriedades únicas de reconhecimento molecular do DNA e outros ácidos nucleicos para criar complexos ramificados auto-montados com propriedades úteis. Neste caso, o DNA utiliza-se como um material estrutural, mais que como um portador de informação biológica.[155] Isto tem conduzido à criação de lâminas periódicas de duas dimensões (ambas baseadas em azulejos, bem como usando o método de DNA origami[156] ), além de estruturas em três dimensões com forma de poliedros .

História e antropologia

Vejam-se também: Filogenia e Genealogia molecular

Ao longo do tempo, o DNA armazena mutaciones que se herdam e, por tanto, contém informação histórica, de maneira que comparando sequências de DNA, os genetistas podem inferir a história evolutiva dos organismos, seu filogenia.[157] A investigação filogenética é uma ferramenta fundamental em biologia evolutiva. Se comparam-se as sequências de DNA dentro de uma espécie, os genetistas de populações podem conhecer a história de populações particulares. Isto se pode utilizar em uma ampla variedade de estudos, desde ecología até antropologia, como ilustra a análise de DNA levado a cabo para identificar as Dez Tribos Perdidas de Israel.[158] [159] Por outro lado, o DNA também se utiliza para estudar relações familiares recentes.

Veja-se também

Referências

Notas

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