DNA

Definição de DNA

O ácido desoxirribonucleico, ou DNA, é uma macromolécula biológica que carrega informações hereditárias em muitos organismos. O DNA é necessário para a produção de proteínas, regulação, metabolismo e reprodução da célula. Grandes moléculas de DNA comprimido com proteínas associadas, chamadas cromatina, estão presentes principalmente dentro do núcleo. Algumas organelas citoplasmáticas como as mitocôndrias também contêm moléculas de DNA.

O DNA é geralmente um polímero de fita dupla de nucleotídeos, embora o DNA de fita simples também seja conhecida. Os nucleotídeos no DNA são moléculas feitas de açúcar desoxirribose, um fosfato e uma base nitrogenada. As bases nitrogenadas no DNA são de quatro tipos – adenina, guanina, timina e citosina. O fosfato e os açúcares da desoxirribose formam uma estrutura do tipo backbone, com as bases nitrogenadas se estendendo como degraus de uma escada. Cada molécula de açúcar está ligada através de seus terceiros e quinto átomos de carbono a uma molécula de fosfato cada.

Funções do DNA

O DNA foi isolado e descoberto quimicamente antes que suas funções se tornassem claras. O DNA e sua molécula relacionada, ácido ribonucleico (RNA), foram inicialmente identificados simplesmente como moléculas ácidas que estavam presentes no núcleo. Quando os experimentos de Mendel sobre genética foram redescobertos, ficou claro que a hereditariedade provavelmente foi transmitida através de partículas discretas e que havia uma base bioquímica para a herança. Uma série de experimentos demonstrou que entre os quatro tipos de macromoléculas dentro da célula (carboidratos, lipídios, proteínas e ácidos nucleicos), os únicos produtos químicos que foram consistentemente transmitidos de uma geração para os segundos eram ácidos nucleicos.

Como ficou claro que o DNA era o material que foi transferido de uma geração para a seguinte, suas funções começaram a ser investigadas.

Replicação e hereditariedade

Toda molécula de DNA é distinguida por sua sequência de nucleotídeos. Ou seja, a ordem em que as bases nitrogenadas aparecem dentro da macromolécula identificam uma molécula de DNA. Por exemplo, quando o genoma humano foi sequenciado, os nucleotídeos que constituem cada um dos 23 pares de cromossomos foram dispostos, como uma série de palavras em uma página. Existem diferenças individuais nessas sequências nucleotídicas, mas no geral, para todos os organismos, grandes alongamentos são conservados. O esqueleto de fosfato de açúcar, por outro lado, é comum a todas as moléculas de DNA, entre espécies, sejam em bactérias, plantas, invertebrados ou seres humanos.

Quando uma molécula de DNA de fita dupla precisa ser replicada, a primeira coisa que acontece é que os dois fios se separam ao longo de um trecho curto, criando uma estrutura semelhante a uma bolha. Nesta região transitória de fita única, várias enzimas e outras proteínas, incluindo o trabalho de DNA polimerase para criar a fita complementar, com o nucleotídeo correto sendo escolhido através da formação de ligação de hidrogênio. Essas enzimas continuam ao longo de cada fita, criando uma nova molécula de polinucleotídeo até que todo o DNA seja replicado.

A vida começa com uma única célula. Para os seres humanos, este é o zigoto formado pela fertilização de um ovo por um esperma. Depois disso, toda a variedade deslumbrante de células e tipos de tecido é produzida pela divisão celular. Mesmo a manutenção de funções normais em um adulto requer mitose constante. Cada vez que uma célula se divide, o material genético nuclear é duplicado. Isso implica que quase 3 bilhões de nucleotídeos são lidos e copiados com precisão. As polimerases de DNA de alta fidelidade e uma série de mecanismos de reparo de erros garantem que exista apenas um nucleotídeo incorporado incorretamente para cada 10 bilhões de pares de bases.

Transcrição

A segunda função importante do material genético é direcionar as atividades fisiológicas da célula. A maioria dos papéis catalíticos e funcionais no corpo é realizada por peptídeos, proteínas e RNA. A estrutura e a função dessas moléculas são determinadas por sequências de nucleotídeos no DNA.

Quando uma molécula de proteína ou RNA precisa ser produzida, o primeiro passo é a transcrição. Como a replicação do DNA, isso começa com a formação transitória de uma região de fita única. A região de fita única atua como modelo para a polimerização de uma molécula complementar de RNA de polinucleotídeo. Apenas um dos dois fios de DNA está envolvido na transcrição. Isso é chamado de fita de modelo e a outra fita é chamada de fita de codificação. Como a transcrição também depende do emparelhamento de bases complementares, a sequência de RNA é quase a mesma que a fita de codificação.

Na imagem, os fios de codificação e os fios de modelo são retratados em laranja e roxo, respectivamente. O RNA é transcrito na direção de 5 ‘a 3’.

Mutação e evolução

Uma das principais funções de qualquer material hereditário deve ser replicada e herdada. Para criar uma nova geração, as informações genéticas precisam ser duplicadas com precisão e depois transmitidas. A estrutura do DNA garante que as informações codificadas em cada fita de polinucleotídeo sejam replicadas com precisão surpreendente.

Embora seja importante que o DNA seja duplicado com um grau muito alto de precisão, o processo geral de evolução requer a presença de variabilidade genética em todas as espécies. Uma das maneiras pelas quais isso acontece é através de mutações nas moléculas de DNA.

Alterações na sequência nucleotídica no material genético permitem a formação de novo alelo. Os alelos são diferentes, principalmente funcionais, variedades de cada gene. Por exemplo, as pessoas que possuem grupo sanguíneo B têm um certo gene, resultando em uma proteína de superfície específica nos glóbulos vermelhos. Essa proteína é distinta dos antígenos da superfície naqueles que possuem grupo sanguíneo A. Da mesma forma, as pessoas com anemia falciforme têm um alelo de hemoglobina diferente em comparação com aqueles que não sofrem da doença.

A presença dessa variabilidade permite que pelo menos algumas populações sobrevivam quando há uma mudança repentina e drástica no meio ambiente. Por exemplo, indivíduos que carregam um alelo mutado para hemoglobina correm risco de anemia falciforme. No entanto, eles também têm uma chance maior de sobrevivência em regiões onde a malária é endêmica.

Essas mutações e a presença de variabilidade permitem que as populações evoluam e se adaptem às mudanças nas circunstâncias.

Engenharia genética

Em outro nível, o papel do DNA como material genético e uma compreensão de sua química nos permite manipulá -lo e usá -lo para melhorar a qualidade de vida. Por exemplo, culturas geneticamente modificadas que são resistentes a pragas ou seca foram geradas a partir de variedades de tipo selvagem por meio de engenharia genética. Muita biologia molecular depende do isolamento e manipulação do DNA, para o estudo dos processos de vida.

Estrutura do DNA

Quando seu papel definitivo na hereditariedade foi estabelecido, a compreensão da estrutura do DNA se tornou importante. Trabalhos anteriores em cristais de proteína guiaram a interpretação da cristalização e a diferença de raios-X do DNA. A interpretação correta dos dados de difração iniciou uma nova era na compreensão e manipulação de material genético. Enquanto inicialmente, cientistas como Linus Pauling sugeriram que o DNA talvez fosse feito de três fios, os dados de Rosalind Franklin apoiaram a presença de uma hélice dupla.

A estrutura do DNA, portanto, foi elucidada de maneira passo a passo através de uma série de experimentos, começando pelo isolamento químico do ácido desoxirribonucleico por Frederich Miescher até a cristalografia de raios-X desta macromolécula por Rosalind Franklin.

Hélice dupla e fios antiparalelos

A imagem é uma representação simplificada de uma molécula curta de DNA, com moléculas de açúcar de desoxirribose em laranja, ligadas a moléculas de fosfato através de um tipo especial de ligação covalente chamada ligação fosfodiester. Cada base nitrogenada é representada por uma cor diferente – timina em roxo, adenina em verde, citosina em vermelho e guanina em azul. As bases de cada fita formam ligações de hidrogênio entre si, estabilizando a estrutura de fita dupla.

A estrutura do esqueleto de fosfato de açúcar em uma molécula de DNA resulta em uma polaridade química. Cada açúcar de desoxirribose tem cinco átomos de carbono. Destes, o terceiro e o quinto átomos de carbono podem formar ligações covalentes com porções de fosfato através de ligações de fosfodiester. Uma ligação de fosfodiester possui essencialmente uma molécula de fosfato formando duas ligações covalentes e uma série dessas ligações cria os dois espinhos de uma molécula de DNA de fita dupla.

Os resíduos alternados de açúcar e fosfato resultam em uma extremidade de cada fita de DNA com um grupo de fosfato livre ligado ao quinto carbono de um açúcar de desoxirribose. Isso é chamado de final de 5 ‘. A outra extremidade possui um grupo hidroxila reativo ligado ao terceiro átomo de carbono da molécula de açúcar e torna a extremidade 3 ‘.

Os dois fios de cada molécula de DNA têm polaridades químicas opostas. Ou seja, no final de cada molécula de DNA de fita dupla, uma fita terá um grupo hidroxila reativo de 3 ‘e a outra fita terá o grupo fosfato reativo ligado ao quinto carbono da desoxirribose. É por isso que diz -se que uma molécula de DNA é feita de fios antiparalelas.

Uma molécula de DNA pode parecer uma escada, com um esqueleto de fosfato de açúcar e degraus de nucleotídeos. No entanto, uma molécula de DNA forma uma estrutura helicoidal tridimensional, com as bases escondidas dentro da hélice dupla. A ligação de hidrogênio entre os nucleotídeos permite que a distância intermolecular entre dois fios permaneça bastante constante, com dez pares de bases em cada turno da hélice dupla.

Complementaridade e replicação

As bases nucleotídicas em uma fita interagem com as da outra fita através de duas ou três ligações de hidrogênio. Esse padrão é previsível (embora existam exceções), com cada emparelhamento de bases de timina com uma base de adenina e os nucleotídeos de guanina e citosina que formam ligações de hidrogênio entre si. Devido a isso, quando a sequência de uma única fita é conhecida, os nucleotídeos presentes na fita complementar do DNA são automaticamente revelados. Por exemplo, se uma fita de uma molécula de DNA tiver a sequência 5 ‘Cagcagcag 3’, as bases na outra fita antiparalelas que emparelham com esse alongamento serão de 5 ‘CTGCTGCTG 3’. Essa propriedade dos fios duplos de DNA é chamada de complementaridade.

Inicialmente, houve um debate sobre a maneira pela qual as moléculas de DNA são duplicadas. Havia três grandes hipóteses sobre o mecanismo de replicação do DNA. Os dois fios complementares do DNA poderiam relaxar em trechos curtos e fornecer o modelo para a formação de uma nova molécula de DNA, formada completamente a partir de nucleotídeos livres. Este método foi nomeado a hipótese conservadora.

Como alternativa, cada fita de modelo pode catalisar a formação de sua fita complementar através da polimerização de nucleotídeos. Neste modo de replicação semi-conservadora, todas as moléculas de DNA duplicadas levariam uma fita do pai e uma fita recém-sintetizada. Com efeito, todas as moléculas de DNA duplicadas seriam híbridos. A terceira hipótese afirmou que todas as grandes moléculas de DNA provavelmente foram divididas em pequenos segmentos antes de serem replicados. Isso foi chamado de hipótese dispersiva e resultaria em moléculas de mosaico.

Uma série de experimentos elegantes de Matthew Meselson e Franklin Stahl, com a ajuda de Mason MacDonald e Amandeep Sehmbi, apoiou a idéia de que a replicação do DNA era, de fato, semi-conservadora. No final de cada evento de duplicação, todas as moléculas de DNA carregam uma fio parental e uma fita recém -criada a partir da polimerização de nucleotídeos.

Descoberta do DNA

À medida que os microscópios começaram a se tornar mais sofisticados e proporcionar maior ampliação, o papel do núcleo na divisão celular tornou -se bastante claro. Por outro lado, havia o entendimento comum da hereditariedade como a ‘mistura’ das características maternas e paternas, uma vez que a fusão de dois núcleos durante a fertilização havia sido observada.

No entanto, a descoberta do DNA como material genético provavelmente começou com o trabalho de Gregor Mendel. Quando seus experimentos foram redescobertos, uma implicação importante veio à tona. Seus resultados só poderiam ser explicados através da herança de partículas discretas, e não através da mistura difusa de características. Enquanto Mendel os chamou de fatores, com o advento da química em ciências biológicas, começou uma busca pela base molecular da hereditariedade.

Isolamento químico do DNA

O DNA foi primeiro isolado quimicamente e purificado por Johann Friedrich Miescher, que estudava imunologia. Especificamente, ele estava tentando entender a bioquímica dos glóbulos brancos. Após o isolamento dos núcleos do citoplasma, ele descobriu que quando o ácido era adicionado a esses extratos, aglomerados brancos pegajosos que pareciam tufos de lã, separados da solução. Ao contrário das proteínas, esses precipitados voltaram à solução após a adição de um álcali. Isso levou Miescher a concluir que a macromolécula era de natureza ácida. Quando outras experiências mostraram que a molécula não era lipídica nem proteína, ele percebeu que havia isolado uma nova classe de moléculas. Como foi derivado do núcleo, ele nomeou essa nucleina de substância.

O trabalho de Albrecht Kossel derramou mais luz sobre a natureza química dessa substância quando ele mostrou que a nucleina (ou ácido nucleico quando estava começando a ser chamado) foi feito de carboidratos, fosfatos e bases nitrogenadas. Kossel também fez a importante descoberta que conecta o estudo bioquímico de ácidos nucleicos com a análise microscópica das células divisórias. Ele ligou essa substância ácida aos cromossomos que podiam ser observados visualmente e confirmou que essa classe de moléculas estava quase completamente presente apenas no núcleo. A outra descoberta importante de Kossel foi vincular os ácidos nucleicos a um aumento no protoplasma e na divisão celular, fortalecendo assim sua conexão com a hereditariedade e a reprodução.

Genes e DNA

Na virada do século XX, a biologia molecular experimentou várias descobertas seminais que trouxeram uma compreensão aprimorada da base química da vida e da divisão celular. Em 1944, experimentos por três cientistas (Avery, McCarty e McLeod) forneceram fortes evidências de que os ácidos nucleicos, especificamente o DNA, eram provavelmente o material genético. Alguns anos depois, as experiências de Chargaff mostraram que o número de bases de purina em cada molécula de DNA igualou o número de bases de pirimidina. Em 1952, um experimento elegante de Alfred Hershey e Martha Chase confirmou o DNA como material genético.

A essa altura, os avanços na cristalografia de raios-X permitiram a cristalização do DNA e o estudo de seus padrões de difração. Finalmente, essas moléculas podem ser visualizadas com maior granularidade. Os dados gerados por Rosalind Franklin permitiram que James Watson e Francis Crick propusessem o modelo helicoidal de fita dupla para o DNA, com um backbone de açúcar-fosfato. Eles incorporaram as regras de Chargaff para quantidades de purina e pirimidina, mostrando que toda base de purina formava ligações específicas de ligação de hidrogênio com outra base de pirimidina. Eles entenderam mesmo quando propuseram essa estrutura que haviam fornecido um mecanismo para a duplicação do DNA.

Para visualizar essa molécula, eles construíram um modelo tridimensional de um DNA helicoidal duplo, usando modelos de alumínio. A imagem acima mostra o modelo da timina base, com ângulos e comprimentos precisos de ligação.

O modelo final construído por Watson e Crick (como visto acima) agora está em exibição no National Science Museum, em Londres.

Questionário

1. Qual dessas declarações sobre o DNA não é verdadeira? A. Nos eucariotos, o DNA está presente exclusivamente no núcleo B. O DNA é o material genético para alguns vírus C. A replicação do DNA é semi-conservadora D. Nenhuma das opções acima

Resposta à pergunta nº 1

A está correto. Mesmo em eucariotos, o DNA existe fora do núcleo. As organelas como mitocôndrias e cloroplastos carregam algumas moléculas de DNA.

2. Qual desses cientistas projetou um experimento para mostrar que a replicação do DNA era semi-conservadora? A. Meselson B. James Watson C. Linus Pauling D. Todas as opções acima

Resposta à pergunta nº 2

A está correto. Entre esses três cientistas, apenas Meselson esteve envolvido no design do experimento que mostrou como o DNA foi replicado. Linus Pauling esteve envolvido no desenvolvimento de cristalografia de raios-X como um método para entender a estrutura das macromoléculas biológicas. James Watson usou os dados de difração de raios X gerados por Rosalind Franklin para propor o modelo helicoidal duplo para a estrutura tridimensional do DNA.

3. Por que a redescoberta dos experimentos de Mendel foi importante para o desenvolvimento da biologia molecular? R. Os experimentos de Mendel sugeriram que o DNA era o material hereditário que as leis de herança de B. mendel sugeriram que havia partículas bioquímicas discretas envolvidas na hereditariedade C. Mendel, os experimentos com plantas de ervilha deram aos biólogos moleculares um organismo de modelo útil D. Todos os acima acima

Resposta à pergunta nº 3

B está correto. Até que Mendel experimentasse plantas de ervilha, nunca ficou claro como a hereditariedade foi alcançada. Embora os mecanismos brutos envolvidos sempre tenham sido conhecidos, os detalhes nunca foram claros. O conhecimento comum parecia sugerir que as características atingiam uma “média” entre os pais. Por exemplo, com um pai alto e um pai curto, a prole era geralmente de altura intermediária. Da mesma forma para a coloração da pele e assim por diante. No entanto, uma vez que Mendel fez seus experimentos usando espécimes de criação verdadeiros, ficou bastante claro que partículas discretas estavam sendo herdadas. Isso, juntamente com os avanços na química, permitiu o desenvolvimento de biologia molecular e bioquímica como campos de estudo. Não havia nada nos experimentos de Mendel para sugerir que o DNA era o material genético. Além disso, as plantas de ervilha de Mendel não são realmente preferidas como organismos modelo, devido às vastas áreas precisam cultivar os espécimes e seu tempo de longa geração.

Referências

• Alberts, Bruce, et al. (2002). Biologia molecular da célula, 4º. Ed. CH. 4. Garland Science: Nova York. ISBN: 978-0815316206.
• Lodish H, et al., (2000) Biologia celular molecular. 4ª ed. W. H. Freeman: Nova York. ISBN-10: 0-7167-3136-3.
• Nobel Media AB (2014) “O Prêmio Nobel em Fisiologia ou Medicina 1910” Nobelprize.org. Recuperado em 10 de maio de 2017 em http://www.nobelprize.org/nobel_prins/medicine/laureates/1910/

Última atualização em 19 de agosto de 2022