Propriedades físicas e químicas
Figura 2: Estrutura química do ADN.
O ADN é um longo polímero formado por unidades repetidas chamadas nucleotídeos [1] [2] A cadeia de ADN tem 2,2 a 2,4 nanometros de largura, e um nucleotídeo possui aproximandamente 0,33 nanometros de comprimento [3]. Embora os monômeros (nucleotídeos) que constituem o ADN sejam muito pequenos, polímeros de ADN pode ser moléculas enormes com milhões de nucleotídeos. Por exemplo, o maior cromossomo humano (cromossomo 1), possui 220 milhões de pares de bases de comprimento [4].
Em organismos vivos, o ADN não existe como uma molécula única (fita simples), mas sim como um par de moléculas firmemente associadas [5] [6]. As duas longas fitas de ADN enrolam-se como uma trepadeira formando uma dupla hélice (figura 3). Os nucleotídeos estão presentes em ambas as fitas da dupla hélice, unidos com nucleótidos da mesma fita por ligações fosfodiéster e à fita complementar através de pontes de hidrogénio formadas pelas suas bases (figura 2). Em geral, uma base ligada a um açúcar é chamada nucleosídeo e uma base ligada a um açúcar e um ou mais fosfatos é chamada nucleotídeo. Portanto, o ADN pode ser referido como um polinucleotídeo [7].
O cerne (backbone) da fita de ADN é formado por fosfato e resíduos de açúcar dispostos alternadamente. O açúcar no ADN é 2-desoxirribose é uma pentose (açúcar com cinco carbonos). Os açúcares são unidos por grupos de fosfato que formam ligações fosfodiester entre o terceiro e quinto átomos de carbono dos anéis de açúcar adjacentes. Estas ligações assimétricas significam que uma fita de ADN tem uma direção. Numa dupla hélice, a direção dos nucleotídeos de uma fita é oposta à direção dos nucleotídeos da outra fita. O formato das fitas do ADN é designado anti-paralelo. As terminações assimétricas das fitas de ADN são designadas terminais 5’ (cinco linha) e 3’ (três linha). Uma das diferenças principais entre o ADN e o ARN encontra-se no açúcar, com a substituição da 2-desoxirribose no ADN pela ribose no ARN.
A dupla hélice do ADN é estabilizada por pontes de hidrogênio entre as bases presas às duas fitas. As quatro bases encontradas no ADN são a adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T). Estas quatro bases estão representadas na figura 4 e ligam-se ao açúcar / fosfato para formar o nucleotídeo completo, que na figura 2 é mostrado como adenosina monofosfato.
Figura 3: Uma cadeia de ADN
Estas bases são classificadas em dois tipos; a adenina e guanina são compostos heterocíclicos chamados purinas, enquanto que a citosina e timina são pirimidinas. Uma quinta base (uma pirimidina) chamada uracila (U) aparece no ARN e substitui a timina, a uracila difere da timina pela falta de um grupo de metila no seu anel. A uracila normalmente não está presente no ADN, só ocorrendo como um produto da decomposição da citosina. Uma raríssima exceção para esta regra é um vírus bacteriano chamado PBS1 que contém uracila no seu ADN. Em contraste, após a síntese de certas moléculas de ARN, um número significante de uracilas são convertidas a timinas pela adição enzimática do grupo de metila. Isto acontece principalmente em RNAs estruturais e enzimáticos como o ARN mensageiro e o ARN ribossomal.
A dupla hélice é uma espiral destra. Como as fitas de ADN giram uma ao redor da outra, elas deixam espaços entre cada cerne de fosfato, revelando os sítios das bases que estão localizadas na parte interna (veja figura 4). Há dois destes espaços ao redor da superfície da dupla hélice: um espaço é maior e possui 22 Å de largura e o outro, o espaço é menor com 12 Å de largura. Proteínas como fatores de transcrição podem ligar-se a sequências específicas do ADN dupla-fita normalmente estabelecendo contato com os sítios das bases expostos no espaço maior.
Figura 4: No topo, pareamento GC com três pontes de hidrogênio. Em baixo, AT com duas pontes de hidrogênio.
Emparelhamento de Bases
Cada tipo de base numa fita forma uma ligação com apenas um tipo de base na outra fita. Este comportamento é designado de complementariedade de bases. Assim, as purinas formam pontes de hidrogênio com pirimidinas, i.e. A liga-se com T e C com G. Este arranjo de dois nucleotídeos complementares na dupla hélice é chamado par de base. Além das pontes de hidrogênio entre as bases, as duas fitas são mantidas juntas devido a forças geradas por interações hidrofóbicas entre as bases empilhadas, a qual não é influenciada pela sequência do DNA (Figura 3). [8] Como as pontes de hidrogênio não são ligações covalentes, podem ser quebradas e reunidas com relativa facilidade. Desta forma, as duas fitas da dupla hélice de DNA podem ser separadas como um "zíper" (fecho) por força mecânica ou altas temperaturas. [9] Como resultado desta complementariedade, toda a informação contida numa das fitas de DNA está também contida na outra, o que é fundamental para a replicação do DNA. [1]
Os dois tipos de pares de base formam diferentes números de pontes de hidrogênio, AT forma duas pontes de hidrogênio enquanto que GC formam três pontes de hidrogênio (figura 4). Desta forma a interação entre GC é mais forte que AT. Como resultado, a percentagem de GC numa dupla fita de DNA determina a força de interação entre as duas fitas. [10] Uma parte da dupla fita de DNA que precisa de ser separada facilmente, tal como a TATAAT Pribnow Box nos promotores bacterianos, tendem a ter as sequencias com maior predomínio de AT, para facilitar a abertura da dupla fita aquando da transcrição. No laboratório, a força desta interacção pode ser medida encontrando a temperatura necessária para quebrar as pontes de hidrogénio, a temperatura de desnaturação (também chamado Tm). Quando todas os pares de base numa dupla hélice de ADN quebram as suas ligações, as duas cadeias separam-se e existem em solução como duas moléculas completamente independentes. Estas moléculas de DNA de cadeia simples não têm uma única forma comum, mas algumas conformações são mais estáveis do que outras[11].
Figura 5: TBP associada ao DNA
Fenda maior e menor
O DNA normalmente encontra-se em forma de uma espiral, portanto as fitas de DNA giram uma sobre a outra e acabam por formar fendas entre os cernes de fosfatos deixando expostas as faces das bases nitrogenadas que não estão unidas por pontes de hidrogênio com a base complementar (figura 3).
Há dois tipos de fendas na superfície da dupla hélice: uma com 22 Å denominada fenda maior e uma com 12 Å designada de fenda menor. [12] A principal função das “fendas” do DNA é fornecer a informação acerca das bases que se encontram ligadas numa determinada região da dupla fita sem a necessidade de a abrir. Como é de esperar a fenda maior oferece uma maior acessibilidade de ligação com proteínas do que a fenda menor, mas isso não quer dizer que a fenda menor não possa interagir com proteínas, um exemplo disto é a TBP (TATA-binding protein) uma importante proteína para a transcrição em eucariotas (Figura 5). [13]
Senso e anti-senso
Uma sequência de DNA é chamada de senso se possui a mesma sequência do RNAm. A fita oposta (complementar) à fita "senso" é denominada sequência anti-senso. Como a RNA polimerase sintetiza um RNA que é complementar à fita molde, então podemos dizer que ela utiliza a fita antisenso como molde para produzir um RNA. As sequências senso e antisenso podem existir em diferentes partes da mesma fita de DNA que pode ser de um lado ou do outro, dependendo de onde se encontra a sequência codificadora.
Às vezes não é possível dizer qual é a fita senso ou antisenso, isto acontece devido à existência de genes que se sobrepõem, e neste caso ambas as fitas dão origem a um RNA. [14] Nas bactérias, a sobreposição pode esta envolvida da regulação da transcrição. [15] Já nos virus, a sobreposição aumenta a capacidade do armazenamento de informações em pequenos genomas virais. [16]
Supercoiling (super-helicoidização)
Figura 6: Da direita para a esquerda, a estrutura do DNA A, B e Z.
O DNA pode ser torcido num processo denominado super-helicoidização. No estado relaxado do DNA, uma fita normalmente dá uma volta completa ao eixo da dupla hélice a cada 10.4 pares de base, mas se o DNA está torcido, as cadeias ficam mais ou menos enroladas. [17] Se o DNA está torcido na direção da hélice, é denominado um supercoiling positivo e as bases estão unidas mais firmemente. Já o supercoiling negativo refere-se a uma torção na direção oposta resultanto num afrouxamento das bases. Na natureza, o DNA apresenta um ligeiro supercoiling negativo que é causado pela ação de uma enzima denominada topoisomerase. [18] Estas enzimas também são necessárias para aliviar o estresse de torção causado no DNA durante os processos de transcrição e replicação. [19]
Estrutura alternativa da dupla hélice
O DNA pode existir em muitas formações diferentes. As formações mais comuns são: DNA-A, DNA-B, DNA-C, DNA-D, [20] DNA-E,[21] DNA-H,[22] DNA-L,[20] DNA-P,[23] e DNA-Z.[24][25] Porém, só as formações de DNA A, B e Z foram encontradas em sistemas biológicos naturais. A formação que o DNA adopta depende de vários fatores da própria sequência de DNA, a intensidade e direção do supercoiling, modificações químicas das bases e a solução na qual o DNA está presente (ex.: concentração de metais, iões e poliaminas). [26] Das três formações referidas, a forma “B” é a mais comum nas condições encontradas nas células. [27]
A forma “A” corresponde à espiral destra mais larga, com uma fenda menor larga e superficial e uma fenda maior estreita e profunda. A forma “A” ocorre sob condições não fisiológicas em amostras de DNA desidratadas, enquanto na célula pode ser produzida por pareamento hibrido de DNA e RNA ou pelo complexo enzima-DNA. [28][29] Em segmentos de DNA onde as bases foram quimicamente modificadas por metilação, o DNA pode sofrer uma grande modificação na sua formação e adoptar a forma DNA-Z. Aqui, a fita gira sobre o eixo da dupla hélice para a esquerda, o oposto da forma mais comum – DNA-B. [30] Esta estrutura é rara e pode ser reconhecida por proteínas especificas de ligação com o DNA-Z e podem estar envolvidas na regulação da transcrição. [31]
Vida
Cada ser vivo que habita a Terra possui uma codificação diferente de instruções escritas na mesma linguagem no seu ADN. Estas diferenças geram as diferenças orgânicas entre os organismos vivos.
Figura 7:Diferentes níveis de condensação do ADN. (1) Cadeia simples de ADN . (2) Filamento de cromatina (ADN com histonas). (3) Cromatina condensada em intérfase com centrómeros. (4) Cromatina condensada em prófase. (Existem agora duas cópias da molécula de ADN) (5) Cromossoma em metáfase
A dupla cadeia polinucleotídica constitui a molécula de ADN, cuja seqüência de nucleotídeos codifica as instruções hereditárias, organizadas em genes, que codificam as inúmeras proteínas existentes nas mais variadas células. As moléculas de ADN contêm portanto a informação genética necessária para a codificação das características de um indivíduo, como a cor do cabelo em humanos, o formato da folha em Angiospermas e a sua morfologia.
O ADN de todas as células do corpo humano seria equivalente, se fosse visível a olho nu, em comprimento, a oito mil vezes a distância da Terra à Lua.
Função biológica
O DNA normalmente possui forma linear que está presente nos cromossomos de eucariotos ou circulares em cromossomos de procariotos. [32]
Como já foi dito, o DNA carrega a informação genética na seqüência de suas bases, logo a utilização ou duplicação da informação depende do pareamento de novas bases. Por exemplo, na transcrição, quando a célula usa a informação nos genes, a seqüência de DNA é copiada em uma seqüência complementar de RNA. Normalmente, o RNA produzido nesse processo codifica proteína (RNAm), mas este pode ser estrutural (ex.: RNAr). A tradução ocorre no caso do RNAm, que também depende da interação dos nucleotídeos de RNA, essa interação ocorre no ribossomo e entre o RNAm e RNAt para formar a seqüência linear de uma proteína (para mais informações veja: Trancrição e Tradução)
Estrutura do genoma
O DNA genômico está localizado no núcleo celular dos eucariotos, mas uma pequena quantia esta presente nas mitocôndrias e cloroplastos. Em procarioto, o DNA está mantido dentro de um corpo irregular no citoplasma chamado de nucleoide. [33] A informação genética em um genoma é mantida dentro dos genes. Como já foi dito, um gene é uma região do DNA que influencia numa característica particular em um organismo. Os genes contém uma matriz de leitura aberta que pode ser transcrito, conjunto de seqüências reguladoras como promotors e reguladores que controlam a expressão dos genes.
Figura 8: Fluxo da informação genética
Em muitas espécies, só uma pequena quantia do genoma total codifica proteínas. Por exemplo, apenas aproximadamente 1.5% do genoma humano consistem de exons codificantes de proteínas e mais de 50% do genoma humano consiste de seqüências repetidas não codificantes. [34] A razão para a presença de “tanto” DNA não codificante nos genomas de eucariotos e a extraordinária diferença no tamanho do genoma ou valor-C entre as espécies representa um “velho” quebra-cabeça denominado “enigma do valor-C”. [35] Porém, a seqüência de DNA que não codifica proteína pode codificar moléculas funcionais de RNA não-codificante o qual está envolvido na regulação da expressão gênica. [36]
Algumas seqüências de DNA não codificante mostra papel estrutural nos cromossomos. Os telômeros e centrômeros contêm poucos genes, mas são importantes para o funcionamento e estabilidade do cromossomo. [37][38] Uma forma abundante de DNA não codificante em humanos são os pseudogenes, que nada mais são do que copias de genes que sofreram desativação por mutações. [39] Na luz do evolucionismo essa seqüência, denominas fosseis moleculares, podem ser a matéria-prima do processo evolutivo.
Criação das moléculas de ADN
Erupções vulcânicas seriam comuns na terra primitiva
Presume-se que a Terra ao se formar de poeira e gases interestelares há mais ou menos 4,6 biliões (br: 4,6 bilhões) de anos, no turbilhão que se formava, já continha os elementos que posteriormente seriam a base da vida.
Através dos registos fósseis estudados, alguns cientistas afirmam que a vida se desenvolveu em torno de 4 biliões (br: 4 bilhões) de anos atrás nos oceanos primitivos do planeta. Segundo alguns, a complexidade das primeiras formas vivas era muito menor que qualquer organismo unicelular, que pode ser considerado um ser vivo altamente sofisticado em relação àquelas.
Presume-se que em reacções das mais diversas, influenciadas pela luz ultravioleta do Sol, relâmpagos, etc, iniciaram as composições de moléculas bastante simples. Estas eram ricas em hidrogénio procedente da atmosfera primitiva.
Ao avançar do tempo, se iniciou um processo que levou aqueles fragmentos primitivos a se combinarem e recombinarem, o que gerou moléculas cada vez mais complexas.
Os oceanos da Terra se assemelhavam a um caldo orgânico porém, ainda não eram vivos. À medida em que a complexidade das moléculas aumentava, começaram a surgir algumas que iniciaram um processo grosseiro de copiarem a si mesmas.
Estas eram provavelmente as primeiras ancestrais do ácido desoxirribonucléico, ou ADN, molécula principal da vida na Terra.
Mutações
Mutações são alterações na sequência de nucleotídeos, que uma vez transmitida para a prole podem ocasionar mudanças nas características dos indivíduos. As mutações podem ser de diferentes tipos, sendo que os principais são as de ponto, onde somente um nucleotídeo é substituído, inserções, eliminações ou estruturais, as quais alteram a morfologia dos cromossomas.
Dependendo do tipo da alteração no código genético, a mesma poderá ser letal caso seja afectada a produção de enzimas e proteínas essenciais à sobrevivência do organismo. Em outros casos, mutações podem conferir uma maior viabilidade ao indivíduo portador da alteração, favorecendo sua sobrevivência caso haja mudanças na pressão selectiva do ambiente.
Geralmente, as mutações ocorrem ao acaso e são um dos principais fatores do processo evolutivo já que as mesmas contribuem para a existência de variação intra e extraespecíficas. Com a presença de variação, o processo selectivo pode conferir uma maior viabilidade para certos indivíduos de uma população.
Simplesmente a mutação é um produto talvez de uma deficiência já concebida no gene, que, pode desencadear alterações desde uma cegueira até um problema cardíaco grave. Um gene não é uma coisa descartável e sim um tipo de impressão digital especial.Uma mutação é um defeito de um ou mais cromossomos que tem uma programação genética falsa ou errada, pode-se enxergar esse problema verificando o histórico da sua família.
Evolução
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Alguns cientistas afirmam que o planeta Terra era um Jardim do Éden molecular, há cerca de quatro mil milhões de anos. As moléculas se reproduziam de forma ineficiente, produzindo-se cópias grosseiras. Neste tipo de cenário ocorreram as primeiras replicações, mutações, e extinções de forma selectiva e aleatória. As variedades menos eficientes foram sendo eliminadas, enquanto aquelas que conseguíam sobreviver se tornaram cada vez mais eficientes a cada geração - evolução.
Avançando-se no tempo, as moléculas orgânicas foram adquirindo mais e mais funções especializadas, foram se juntando aos poucos e de forma casual. A princípio, pode-se dizer que estas colectividades moleculares formaram algo parecido com o primeiro ser vivo composto a partir de algum momento por um ADN funcional.
