História do DNA, funções, estrutura, componentes

O DNA (ácido desoxirribonucléico) é a biomolécula que contém toda a informação necessária para gerar um organismo e manter seu funcionamento. É composto de unidades chamadas nucleotídeos, formadas por sua vez de um grupo fosfato, uma molécula de açúcar de cinco carbonos e uma base nitrogenada.

Existem quatro bases nitrogenadas: adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T). Adenina sempre emparelha-se com timina e guanina com citosina. A mensagem contida no filamento do 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 está associada a proteínas positivas (histonas) para compactar eficientemente no núcleo de células eucarióticas. Uma longa cadeia de DNA, juntamente com várias proteínas associadas, forma um cromossomo.

Índice

• 1 História
• 2 componentes
• 3 Estrutura
  • 3.1 Lei de Chargaff
  • 3.2 modelo de dupla hélice
• 4 Organização
  • 4.1 Histonas
  • 4.2 Nucleosomes e 30 nm de fibra
  • 4.3 Cromossomas
  • 4.4 Organização em procariontes
  • 4,5 Quantidade de DNA
• 5 formas estruturais de DNA
  • 5.1 DNA-A
  • 5.2 ADN-Z
• 6 funções
  • 6.1 Replicação, transcrição e tradução
  • 6.2 O código genético
• 7 Propriedades químicas e físicas
• 8 Evolução
• 9 sequenciamento de DNA
  • 9.1 Método Sanger
• 10 sequenciamento de nova geração
• 11 referências

História

No ano de 1953, o americano James Watson e o britânico Francis Crick conseguiram elucidar a estrutura tridimensional do DNA, graças ao trabalho em cristalografia realizado por Rosalind Franklin e Maurice Wilkins. Eles também basearam suas conclusões nos trabalhos de outros autores.

Expondo o DNA 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 estão ligadas por pontes de hidrogênio entre as bases. . O padrão obtido foi o seguinte:

A estrutura pode ser assumida seguindo as leis da 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 raio.

Em 25 de abril de 1953, os resultados de Watson e Crick foram publicados no prestigioso jornal Natureza, em um artigo de duas páginas intitulado "Estrutura Molecular dos Ácidos Nucleicos"Isso revolucionaria completamente o campo da biologia.

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

Componentes

A molécula de DNA é composta de nucleotídeos, unidades formadas por um açúcar de cinco carbonos ligados 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 nucleótidos são covalentemente ligados por uma ligação fosfodiéster por meio de um grupo 3'-hidroxilo (-OH) de um açúcar e o 5'-fosfato do nucleótido seguinte.

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

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

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

Das bases mencionadas, a adenina e a guanina derivam das purinas. Em contraste, o grupo de pirimidinas pertence à timina, citosina e uracila (presentes na molécula de RNA).

Estrutura

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

Os dois cordões são unidos por pontes de hidrogênio entre as bases complementares. As bases nitrogenadas são ligadas covalentemente a um esqueleto de açúcares e fosfatos.

Cada nucleótido localizado numa cadeia pode ser acoplado a outro nucleótido específico da outra cadeia, para formar a dupla hélice conhecida. Para formar uma estrutura eficiente, A sempre acopla com T por meio de duas pontes de hidrogênio e G com C por três pontes.

Lei de Chargaff

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

Este emparelhamento é energeticamente favorável, pois permite preservar uma largura semelhante ao longo da estrutura, mantendo uma distância similar ao longo da molécula do esqueleto de açúcar-fosfato. Observe que uma base de um anel é acoplada a um de um anel.

Modelo da dupla hélice

Propõe-se que a dupla hélice seja composta por 10,4 nucleotídeos por turno, separados por uma distância de centro a centro de 3,4 nanômetros. O processo de enrolamento dá origem à formação de sulcos na estrutura, podendo observar um sulco maior e menor.

Os sulcos surgem porque as ligações glicosídicas nos pares de bases não são opostas entre si, em relação ao seu diâmetro. Na ranhura menor está a pirimidina O-2 e a purina N-3, enquanto a ranhura principal está localizada na região oposta.

Se usarmos a analogia de uma escada, os degraus consistirão nos pares de bases complementares entre si, enquanto o esqueleto corresponde aos dois trilhos de sustentação.

As extremidades da molécula de DNA não são as mesmas, então falamos de uma "polaridade". Uma de suas extremidades, 3 ', carrega um grupo -OH, enquanto a extremidade 5' tem o grupo fosfato livre.

Os dois fios estão localizados de maneira antiparalela, o que significa que eles estão localizados em oposição às suas polaridades, como segue:

Além disso, a sequência de um dos filamentos deve ser complementar ao seu parceiro, se for uma posição A, no segmento antiparalelo deve haver um T.

Organização

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

O cordão deve ser compactado de modo que possa estar contido em um núcleo microscópico de 6 μm de diâmetro que ocupa apenas 10% do volume da célula. Isso é possível graças aos seguintes níveis de compactação:

Histones

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

As histonas são proteínas tão importantes para os organismos eucarióticos que foram praticamente invariáveis ​​no curso da evolução - lembrando que um baixo índice de mutação indica que as pressões seletivas na referida molécula são fortes. Um defeito nas histonas pode resultar em uma compactação defeituosa no DNA.

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

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

Nucleosomes e fibra de 30 nm

O filamento de DNA envolve as histonas e forma estruturas que lembram as contas de uma série de pérolas, chamadas nucleossomos. No coração dessa estrutura estão duas cópias de cada tipo de histona: H2A, H2B, H3 e H4. A união das diferentes histonas é chamada de "histona octâmero".

O octamer é cercado por 146 pares de bases, dando menos de duas voltas. Uma célula diplóide humana contém aproximadamente 6,4 x 10⁹ nucleotídeos que são organizados em 30 milhões de nucleossomas.

A organização nos nucleossomos permite compactar o DNA em mais de um terço de sua extensão original.

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

Cromossomos

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

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

Os cromossomos são estruturas compostas por uma porção linear longa de DNA associada aos complexos protéicos 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 um núcleo. Nestas espécies, o material genético é altamente enrolado junto com proteínas alcalinas de baixo peso molecular. Desta forma, o DNA é compactado e localizado em uma região central da bactéria.

Alguns autores geralmente chamam essa estrutura de "cromossomo bacteriano", embora não tenha as mesmas características de um cromossomo eucariótico.

Quantidade de DNA

Nem todas as espécies de organismos contêm a mesma quantidade de DNA. De fato, esse valor é altamente variável entre as espécies e não há relação entre a quantidade de DNA e a complexidade do organismo. Essa contradição é conhecida como o "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 um tamanho de 132 pg (o DNA pode ser quantificado em picogramas = pg) enquanto o genoma humano pesa apenas 3,5 pg.

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

Formas estruturais de DNA

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

DNA-A

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

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

ADN-Z

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

O DNA-Z aparece quando há seqüências curtas de pirimidinas e purinas alternando entre elas. O sulco maior é plano e o sulco menor é estreito e profundo, comparado ao DNA-B.

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

Funções

A molécula de DNA contém todas as informações e instruções necessárias para a construção de um organismo. O conjunto completo de informação genética 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 essas bases podem entregar uma mensagem é explicado abaixo:

Replicação, transcrição e tradução

A mensagem criptografada nas quatro letras A, T, G e C dá como resultado um fenótipo (nem todas as seqüências de DNA codificam proteínas). Para conseguir isso, o DNA deve se replicar em todos os processos de divisão celular.

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

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

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

Esta 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.

Finalmente, a mensagem é traduzida em moléculas de RNA mensageiro, graças aos ribossomos.

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

O código genético

A mensagem é lida em "triplets" ou grupos de três letras que especificam para um aminoácido - os blocos estruturais das proteínas. É possível decifrar a mensagem dos trigêmeos desde que o código genético já foi completamente revelado.

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

Por exemplo, se o RNA mensageiro tiver a seguinte seqüência: AUG CCU CUU UUU UUA, ele é traduzido nos seguintes aminoácidos: metionina, prolina, leucina, fenilalanina e fenilalanina. Note que é possível que duas trincas - neste caso UUU e UUA - codifiquem o mesmo aminoácido: fenilalanina.

Para esta propriedade, diz-se que o código genético é degenerado, uma vez que um aminoácido é codificado por mais de uma sequência de tripletos, com exceção do aminoácido metionina que determina o início da tradução.

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

Propriedades químicas e físicas

Os ácidos nucléicos são de natureza ácida e são solúveis em água (hidrofílica). A formação de pontes de hidrogênio entre os grupos fosfato e os grupos hidroxila das pentoses com água pode ocorrer. É carregado negativamente 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 nucléico é de cadeia simples.

Eles são moléculas altamente estáveis. Logicamente, esse recurso 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, os filamentos 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, porque essas bases são unidas por três ligações de hidrogênio, aumentando a resistência à separação.

Quanto à absorção de luz, eles têm um pico em 260 nanômetros, o que aumenta se o ácido nucléico for uma fita simples, pois expõem os anéis dos nucleotídeos e estes são responsáveis ​​pela absorção.

Evolução

De acordo com o Lazcano et al. 1988 O DNA surge em etapas de transição do RNA, sendo um dos eventos mais importantes da história da vida.

Os autores propõem três etapas: um primeiro período em que havia moléculas semelhantes aos ácidos nucléicos, posteriormente os genomas foram formados de RNA e como último estágio os genomas de dupla fita de DNA apareceram.

Algumas evidências suportam a teoria de um mundo primário baseado no RNA. Primeiro, a síntese de proteínas pode ocorrer na ausência de DNA, mas não quando o RNA está ausente. Além disso, moléculas de RNA com propriedades catalíticas foram descobertas.

Quanto à síntese do desoxirribonucleotídeo (presente no DNA), sempre provém da redução dos ribonucleotídeos (presentes no RNA).

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

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

Sequenciamento de DNA

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

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

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

Método de Sanger

O método usa DNA polimerase, uma enzima altamente confiável que replica o DNA nas células, sintetizando uma nova cadeia de DNA usando outra diretriz pré-existente. A enzima requer um primeiro ou primer para iniciar a síntese. O primer é uma pequena molécula de DNA complementar à molécula que você deseja sequenciar.

Na reacção, são adicionados nucleótidos que devem ser incorporados na nova cadeia de ADN pela enzima.

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

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

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

Sequenciamento de nova geração

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

Entre os métodos mais destacados está o pirosequenciamento, sequenciamento por síntese, seqüenciamento por ligação e seqüenciamento de próxima geração por Ion Torrent.

Referências

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