DNA: história, funções, estrutura, componentes - Ciência - 2023

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o DNA (ácido desoxirribonucléico) é a biomolécula que contém todas as informações necessárias para gerar um organismo e manter seu funcionamento. É feito de unidades chamadas nucleotídeos, formadas por um grupo fosfato, uma molécula de açúcar com cinco carbonos e uma base nitrogenada.

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

O DNA é uma molécula extremamente estável, carregada negativamente em pH fisiológico, que se associa a proteínas positivas (histonas) para compactar de forma eficiente no núcleo das células eucarióticas. Uma longa cadeia de DNA, junto 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 aos trabalhos de cristalografia realizados por Rosalind Franklin e Maurice Wilkins. Eles também basearam suas conclusões no trabalho de outros autores.

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

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

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

Graças a essa descoberta, os pesquisadores receberam o Prêmio Nobel de Medicina em 1962, com exceção de Franklin, que morreu antes do parto. Atualmente esta descoberta é um dos grandes expoentes do sucesso do método científico na aquisição de novos conhecimentos.

Componentes

A molécula de DNA é composta de nucleotídeos, unidades compostas por um açúcar de cinco carbonos ligado a um grupo fosfato e uma base nitrogenada. O tipo de açúcar encontrado no DNA é do tipo desoxirribose e daí seu nome, ácido desoxirribonucléico.

Para formar a cadeia, os nucleotídeos são covalentemente ligados por uma ligação do tipo fosfodiéster através de um grupo 3'-hidroxila (-OH) de um açúcar e o 5'-fosfofo do próximo nucleotídeo.

Os nucleotídeos não devem ser confundidos com os nucleosídeos. Este último se refere à parte do nucleotídeo formada apenas pela pentose (açúcar) e pela base nitrogenada.

O DNA é composto por 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 ligados a outro anel de seis, enquanto as pirimidinas são compostas de um único anel.

Das bases mencionadas, adenina e guanina são derivados de purinas. Em contraste, o grupo das pirimidinas inclui timina, citosina e uracila (presentes na molécula de RNA).

Estrutura

Uma molécula de DNA é composta por duas cadeias de nucleotídeos. Essa "cadeia" é conhecida como fita de DNA.

As duas fitas são ligadas por pontes de hidrogênio entre as bases complementares. As bases de nitrogênio estão covalentemente ligadas a uma estrutura de açúcares e fosfatos.

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

Lei de Chargaff

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

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

Modelo de dupla hélice

Sugere-se que a dupla hélice seja composta de 10,4 nucleotídeos por volta, separados por uma distância centro a centro de 3,4 nanômetros. O processo de laminação dá origem à formação de ranhuras na estrutura, podendo-se observar uma ranhura maior e outra menor.

As ranhuras surgem porque as ligações glicosídicas nos pares de bases não são opostas entre si, em relação ao seu diâmetro. A pirimidina O-2 e a purina N-3 são encontradas no sulco menor, 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, por isso falamos em “polaridade”. Uma de suas extremidades, a 3 ', carrega um grupo -OH, enquanto a extremidade 5' possui o grupo fosfato livre.

As duas fitas estão localizadas de forma antiparalela, o que significa que estão localizadas de forma oposta em relação às suas polaridades, da seguinte forma:

Além disso, a sequência de uma das fitas deve ser complementar à do seu parceiro, se for uma posição há A, na fita antiparalela deve haver um T.

Organização

Em cada célula humana existem aproximadamente dois metros de DNA que devem ser embalados de forma eficiente.

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

Histones

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 possuem cargas positivas para poder 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 decorrer da evolução - lembrando que uma baixa taxa de mutações indica que as pressões seletivas sobre aquela molécula são fortes. Um defeito nas histonas pode resultar em uma compactação defeituosa no DNA.

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

Quando as histonas são "hipoacetiladas", a cromatina é mais condensada, pois as formas acetiladas neutralizam as cargas positivas das lisinas (aminoácidos carregados positivamente) na proteína.

Nucleossomos e a fibra de 30 nm

A fita de DNA se enrola nas histonas e elas formam estruturas que se assemelham às contas de um colar de pérolas, chamadas de 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 "octâmero de histonas".

O octâmero é cercado por cerca de 146 pares de bases, circulando menos de duas vezes. Uma célula diplóide humana contém aproximadamente 6,4 x 10⁹nucleotídeos que são organizados em 30 milhões de nucleossomos.

A organização em nucleossomos permite que o DNA seja compactado em mais de um terço de seu comprimento original.

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

Cromossomos

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

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

Os cromossomos são estruturas constituídas por um longo pedaço linear de DNA associado aos complexos de proteínas mencionados acima. Normalmente em eucariotos, todo o material genético incluído no núcleo é dividido em uma série de cromossomos.

Organização em procariontes

Procariontes são organismos que não possuem núcleo. Nessas espécies, o material genético é altamente enrolado em proteínas alcalinas de baixo peso molecular. Dessa forma, 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. Na verdade, 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 é o organismo, mais DNA ele possui. No entanto, isso não é verdade na natureza.

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

É preciso lembrar que nem todo DNA de um organismo codifica proteínas, grande parte disso está relacionado a elementos reguladores e aos diferentes tipos de RNA.

Formas estruturais de DNA

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

DNA - A

A variante "A" gira para a direita, assim como o B-DNA, mas é mais curta e larga. Esta forma aparece quando a umidade relativa diminui.

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

DNA-Z

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

O Z-DNA aparece quando há sequências curtas de pirimidinas e purinas alternando entre si. O sulco principal é plano e o sulco menor é estreito e mais profundo, em comparação com o B-DNA.

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

Características

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 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 código para algum elemento regulador. O processo pelo qual esses bancos de dados 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 sequências de DNA codificam para proteínas). Para conseguir isso, o DNA deve se replicar em cada processo de divisão celular.

A replicação do DNA é semiconservadora: uma fita serve como modelo para a formação da nova molécula filha. Replicação catalisada por uma série de enzimas, incluindo DNA primase, DNA helicase, DNA ligase e topoisomerase.

Posteriormente, a mensagem - escrita em uma linguagem de sequência de bases - deve ser transmitida a uma molécula intermediária: o RNA (ácido ribonucléico). Esse processo é chamado de transcrição.

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

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

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

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

O código genético

A mensagem é lida em "trigêmeos" ou grupos de três letras que especificam um aminoácido - os blocos de construção das proteínas. É possível decifrar a mensagem dos trigêmeos, uma vez que o código genético já foi totalmente desvendado.

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

Por exemplo, se o RNA mensageiro tem a seguinte sequência: AUG CCU CUU UUU UUA, ele é traduzido nos seguintes aminoácidos: metionina, prolina, leucina, fenilalanina e fenilalanina. Observe que dois trigêmeos - neste caso UUU e UUA - podem codificar para o mesmo aminoácido: fenilalanina.

Devido a essa propriedade, diz-se que o código genético é degenerado, pois um aminoácido é codificado por mais de uma seqüência de tripletos, exceto o aminoácido metionina, que dita o início da tradução.

O processo é interrompido com paradas específicas ou trigêmeos de parada: UAA, UAG e UGA. Eles são conhecidos pelos nomes de ocre, âmbar e opala, respectivamente. Quando o ribossomo os detecta, eles não podem mais adicionar nenhum aminoácido à cadeia.

Propriedades químicas e físicas

Os ácidos nucléicos são ácidos por natureza e são solúveis em água (hidrofílicos). Pode ocorrer a formação de ligações de hidrogênio entre os grupos fosfato e os grupos hidroxila das pentoses com água.Tem carga negativa em pH fisiológico.

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

Eles são moléculas altamente estáveis. Logicamente, essa característica deve ser indispensável nas estruturas que carregam a informação genética. Comparado ao RNA, o DNA é muito mais estável porque não possui um grupo hidroxila.

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

A quantidade de calor que deve ser aplicada depende da porcentagem G - C da molécula, pois essas bases estão ligadas por três pontes de hidrogênio, aumentando a resistência à separação.

Em relação à absorção da luz, eles têm pico de 260 nanômetros, que aumenta se o ácido nucléico for de fita simples, já que os anéis de nucleotídeos ficam expostos e são os responsáveis pela absorção.

Evolução

De acordo com 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 etapas: uma primeira fase em que existiam moléculas semelhantes aos ácidos nucléicos, depois os genomas eram constituídos por RNA e na última fase surgiram os genomas de DNA de banda dupla.

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

Em relação à síntese de desoxirribonucleotídeos (presentes no DNA), eles sempre vêm da redução de ribonucleotídeos (presentes no RNA).

A inovação evolutiva de uma molécula de DNA deve ter exigido a presença de enzimas que sintetizam os precursores do DNA e participam da transcrição reversa 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 acreditava, incluindo processos de transferência e perda de genes e substituições não ortólogas.

Sequenciamento de DNA

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

O conhecimento dessa sequência é de extrema importância nas ciências biológicas. Pode ser usado para discriminar entre duas espécies morfologicamente muito semelhantes, para detectar doenças, patologias ou parasitas e ainda tem aplicabilidade forense.

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

Método Sanger

O método usa a DNA polimerase, uma enzima altamente confiável que replica o DNA nas células, sintetizando uma nova fita de DNA usando uma já existente como guia. A enzima requer um primeiro ou primer para iniciar a síntese. O primer é uma pequena molécula de DNA complementar à molécula a ser sequenciada.

Na reação, são adicionados nucleotídeos que serão incorporados à 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 fita filha e têm 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 ao acaso e interromperam o processo de replicação em diferentes estágios.

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

Sequenciamento de próxima geração

As técnicas de sequenciamento desenvolvidas nos últimos anos permitem a análise massiva de milhões de amostras simultaneamente.

Entre os métodos mais destacados estão o pirosequenciamento, o sequenciamento por síntese, o sequenciamento por ligação e o sequenciamento de última geração por Ion Torrent.

Referências

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