Ácido desoxirribonucleico

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O ácido desoxirribonucleico (ADN ou DNA) é a substância molecular usado para codificar informações hereditárias em todas as células vivas. Em células eucarióticas, o ADN está contido numa região delimitada por uma membrana chamada núcleo. Ele existe em longas cadeias chamadas cromossomos. O número e o comprimento dos cromossomos difere entre os organismos.

A informação é dividida em unidades distintas, chamadas genes, que, quando ativadas enviam instruções que especificam a maquinaria celular para montar proteínas. Esse processo, chamado de expressão génica, é necessário para construir e manter todos os sistemas biológicos. As instruções contidas dentro dos genes consistem de um código com as regras de sintaxe comparáveis àquelas encontradas na língua escrita. No código de DNA, o gene é muito parecido com uma frase que contenha "palavras" (triplas de nucleotídeos) conhecidas como códons.

Uma célula humana típica contém um total de 46 cromossomas e cerca 6 × 109 nucleotídeos. Para entender a compressão de dados envolvida neste tipo de informação, a quantidade de DNA na célula poderia, teoricamente, ser embalada num espaço de cerca de 1,9 micron cúbico de tamanho. Por comparação, 6 x 109 letras em um livro iriam ocupar mais de um milhão de páginas, portanto, exigindo mais do que 1017 vezes tanto espaço.[1]

Estrutura

Nucleotídeos

Diagrama da estrutura química do ADN mostrando emparelhamento de bases.

Uma cadeia de ADN é composta de quatro nucleotídeos que diferem pela base química ligada a cada um: adenina (A) e guanina (G), que são bases chamadas purinas e citosina (C) e timina (T), que são referidas como pirimidinas. Cada base tem uma composição ligeiramente diferente, ou uma combinação de oxigénio, carbono, azoto, hidrogénio e. Em uma cadeia de ADN, toda base é ligada a uma molécula de açúcar (desoxirribose) e uma molécula de fosfato, o que resulta num ácido nucleico ou nucleotídeo. Nucleotídeos individuais estão ligados através do grupo fosfato, e é a ordem exata, ou a sequência, de nucleotídeos que determina o produto obtido a partir desse gene.[2]

Nucleotídeo Abreviatura
Trifosfato de adenosina ATP
Trifosfato de citidina CTP
Trifosfato de guanosina GTP
Trifosfato de timidina TTP

Dupla hélice

Estrutura do ADN

O ADN que constitui um gene é uma molécula de cadeia dupla que consiste em duas cadeias que funcionam em sentidos opostos. A natureza química das bases de ADN de cadeia dupla cria uma ligeira força de torção que dá ao ADN a sua característica estrutura suavemente enrolada, conhecida como a hélice dupla. As duas fitas são ligadas uma à outra por emparelhamento químico de cada base numa cadeia para um parceiro específico na outra cadeia. A adenina (A) pareia com a timina (T) e a guanina (G) pareia com a citosina (C). Assim, os pares de bases A-T e G-C são ditos ser complementares. Este emparelhamento de bases complementares é o que faz uma molécula de ADN apropriada para carregar a nossa informação genética e uma cadeia de ADN pode agir como um modelo para dirigir a síntese de uma cadeia complementar. Desta forma, as informações em uma sequência de ADN é facilmente copiada e passada para a próxima geração de células.[2]

Dois nucleotídeos que são colocados juntos são chamados de um par de bases. Cada um dos nucleotídeos que são emparelhados são ligados em conjunto através de ligações de hidrogênio. Quando uma adenina e uma timina são emparelhadas duas pontes de hidrogênio são formadas. Quando uma cisteína e uma guanina são emparelhadas três ligações de hidrogênio são então formadas. A razão de uma molécula ADN ser mais forte seria porque o conteúdo e o comprimento da molécula de ADN a afeta.

Em alguns casos, a molécula de ADN não é uma hélice dupla, ela pode aparecer como uma forma não helicoidal ou em cadeia simples de ADN. Esta forma de ADN é encontrada em alguns vírus. Um vírus que contém uma única forma de cadeia de ADN iria mutar tão freqüentemente quanto em qualquer outro momento, quando estivesse em uma forma de dupla hélice. As espécies de vírus que contêm uma fita simples de ADN se adaptam mais rápido de modo que eles não se tornam extintos. Os vírus são o único organismo que carrega uma fita de ADN simples. [3]

Direção dos filamentos

Complementaridade de DNA

O ADN que compõe os cromossomos e os plasmídeos existe como dois filamentos paralelos. Cada nucleotídeo na fita é anexado ao próximo através de ligações de fosfato. Além disso, as duas cadeias são também presas umas às outras em cada nucleotídeo na sequência através das pontes de hidrogênio das bases. No ADN, ATP sempre pareia com o TTP na fita adjacente, e o CTP sempre pareia com o GTP. Isto é conhecido como pareamento de bases, e a sequência de nucleotídeos das cadeias paralelas são referidos como sendo complementares.

Cada fita de DNA vai de 5’ para 3’ (5 linha para 3 linha). O DNA é conhecido como a hélice dupla porque é composto de duas cadeias ou fitas. Existem dois tipos de cadeias, a cadeia molde (ou cadeia antissenso), e a cadeia de codificação (ou cadeia senso). A cadeia molde contém a informação para vários genes dentro do DNA. Ela também contém anticódons. A cadeia de codificação também contém códons.[4]

O arranjo das cadeias de ADN está em uma estrutura em dupla hélice, o que revela que os nucleotídeos estão indo de uma forma em uma fita e indo para o outro lado na outra fita. As cadeias estão dispostas de uma forma chamada de local antiparalelo porque se as cadeias tivessem os mesmos conteúdos e não fossem complementares a célula apenas poderia traduzir uma delas. Se a sequência é capaz de ser traduzida ou já foi traduzido, em seguida, ela é conhecida como “senso”. O complemento para a seqüência “senso” seria a seqüência “antisenso”. [3]

Expressão gênica

A informação codificada num gene é convertida em proteína ou alguma forma de ARN através de um processo conhecido como expressão gênica. O processo tem duas etapas chamadas transcrição e tradução. Em primeiro lugar a sequência de ADN é transcrita em ARN e, em seguida, geralmente--mas nem sempre-- traduzida em proteína.

Um gene é dito expressar-se, porque ele envia uma "mensagem" (RNA mensageiro) com instruções para uma proteína específica ser feita. O RNA mensageiro é, essencialmente, uma cópia do gene que é entregue a um aparelho celular (ribossoma), o qual usa as informações para a montagem de uma sequência específica de aminoácidos. Isto é conhecido como o dogma central da expressão gênica.

Seqüências

Genes

As sequências que codificam para as proteínas são designadas genes estruturais. Embora seja verdade que as proteínas são os principais componentes dos elementos estruturais em uma célula, as proteínas também são os burros de carga reais da célula. Elas executam funções como transporte de nutrientes para dentro da célula; sintetizando ADN novo, ARN, e moléculas de proteína; e transmitindo sinais químicos a partir do exterior para dentro da célula, bem como em toda a célula—ambos críticos para o processo de produção de proteínas.[2]

Regulatórias

Uma classe de seqüências chamadas seqüências regulatórias torna-se uma fração numericamente insignificante do genoma, mas oferece funções críticas. Por exemplo, certas sequências indicam o início e o fim de genes, locais para iniciar a replicação e recombinação, ou fornecer locais de aterragem para as proteínas que transformam os genes em ligados e desligados. Como os genes estruturais, as seqüências regulatórias são herdadas; no entanto, elas não são comumente referidas como genes.[2]

Repetitivas

Quarenta a quarenta e cinco por cento do nosso genoma é composto por sequências curtas que são utilizadas, por vezes centenas de vezes. Existem numerosas formas deste "ADN repetitiva", e algumas têm funções conhecidas, tais como a estabilização da estrutura dos cromossomas ou a inativação de um dos dois cromossomas X no desenvolvimento de fêmeas, um processo chamado de inativação-X. As sequências mais altamente repetidas encontradas até agora em mamíferos são chamadas de "ADN satélite", porque a sua composição incomum lhes permite ser facilmente separada dos demais ADNs. Essas seqüências são associadas a estrutura dos cromossomos e são encontradas nos centrômeros (ou centros) e os telômeros (extremidades dos cromossomos). Embora elas não desempenham um papel na codificação de proteínas, elas desempenham um papel significativo na estrutura dos cromossomas, a duplicação e a divisão celular. A natureza altamente variável dessas seqüências as torna um "marcador" excelente pelo qual os indivíduos podem ser identificados com base em seu padrão único de seu ADN satélite.[2]

Pseudogenes

Outra classe de ADN não codificante é o "pseudogene" (significando falso gene), assim chamados porque eles eram originalmente considerados ser um remanescente de um verdadeiro gene que sofreu mutações e se tornou não mais funcional. Os evolucionistas acreditam que pseudogenes podem ter surgido através da duplicação de um gene funcional, seguido de inativação de uma das cópias. As sequências são, portanto, pensadas realizar um registro da história evolutiva, e utilizadas para deduzir parentesco por geneticistas evolutivos. O método envolve a comparação de organismos quanto à presença ou ausência de pseudogenes e agrupamento de espécies baseada no grau de diferença.[2]

A visão dos evolucionistas a respeito seqüências pseudogenes está em contraste gritante com as previsões criacionistas que assumem um propósito para todo o chamado DNA lixo e que afirmam que as funções para estas seqüências genéticas serão elucidadas com o tempo. A visão criacionista foi recentemente justificada por pesquisadores que recentemente descobriram um função para pseudogenes na regulação da expressão gênica por meio da via RNA de interferência.[5]

ADN de organelas

Nem toda a informação genética encontra-se no ADN nuclear. Tanto plantas como animais têm uma organela—um "pequeno órgão" dentro da célula— chamada de mitocôndria. Cada mitocôndria dispõe de seu próprio conjunto de genes. As plantas também tem uma segunda organela, o cloroplasto, que também tem seu próprio ADN. As células muitas vezes têm várias mitocôndrias, particularmente células que requerem muita energia, como as células musculares ativas. Isto é porque as mitocôndrias são responsáveis pela conversão da energia armazenada em macromoléculas numa forma utilizável pela célula, ou seja, a molécula de trifosfato de adenosina (ATP). Assim, elas são muitas vezes referidas como as geradores de energia da célula.

Ao contrário do DNA nuclear (o DNA encontrado dentro do núcleo de uma célula), dos quais metade vem da nossa mãe e metade do nosso pai, o DNA mitocondrial é só herdado de nossa mãe. Isto é porque as mitocôndrias são encontradas somente nas gâmetas femininos ou "ovos" de animais reproduzindo sexualmente,e não no gameta masculino, ou esperma. O ADN mitocondrial também não se recombina; não há nenhum rearranjo de genes a partir de uma geração para a outra, como existe com os genes nucleares.[2]

A sequenciação de ADN

A sequenciação de ADN é uma técnica usada para determinar a ordem exata dos blocos de construção (nucleótidos) que compõem o ADN. Uma dessas técnicas é dependente do uso de nucleótidos didesoxi que vai terminar a polimerização da cadeia de DNA em cada tipo de nucleótido, e nucleótidos marcados com radioisótopos para a visualização do conjunto de fragmentos.

Os nucleótidos são distinguidos pelas bases azotadas que eles contêm e abreviados pelas letras A, C, G, e T. Portanto, os dados de seqüenciamento de DNA constitui tipicamente uma longa seqüência destas letras (i.e. ACGCTCATCGTAA).

O Projeto do Genoma Humano descobriu que, para melhorar a sequenciação de ADN eles tinham que acelerar o processo de sequenciação de ADN. O método padrão que foi utilizado na sequenciação de ADN baseia-se na separação de fragmentos de ADN. O modo como o ADN é separado em fragmentos é pela eletroforese em gel. These methods were too labor intensive and cost too much money. To make things cheaper they decided to use gel-based sequencers, which are multiple tiny tubes run what they used to perform electrophoresis. The separations from this method are much faster because they have higher electric fields to complete the DNA sequencing in a shorter amount of time and this was also more cost effective.[6]

History

In the 1940’s Erwin Chargaff discovered what came to be known as Chargaff’s rule. He found that in DNA, the number of nucleotides possessing adenine and thymine nitrogenous bases was about equal. Also, the nucleotides with cystosine and guanine was about equal.[7]

After the discovery of Chargaff’s rule, two scientists, Rosalind Franklin and Maurice Wilkins, decided to try crystallize the DNA molecule. That would enable them to generate an X-ray pattern, leading to an understanding of how DNA works. The shape that they found was like a ladder between two strands that are side by side. The x-ray pattern also showed by an “X” shape that DNA had a helical shape.[7]

In 1953, two scientists wanted to put together a model of DNA. The two scientists came up with an accurate model from the picture of the X-ray that Franklin and Wilkins came up with. The structure that Francis H. Crick (UK) and James D. Watson (USA) came up with was accurate enough that it has not been significantly modified. The double helix that was formed with little rungs that connect the two strands together. When Watson and Crick began studying how to begin their model of DNA they came across some problems. One of these problems was that how can you bond two bases when they were not the same size. They then discovered that because of Chargaff’s rule that would be able to pair adenine with thymine and guanine with cystosine. With this technique they would be able to make the DNA structure look stable and uniform. This structure would then compliment each other and look very uniform. [7]

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Galeria

Referências

  1. Molecular Biology of the Cell 3ª edição. 1994. por Bruce Alberts, et. al., Capítulo 8 "The Cell Nucleus"
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 What is a Genome pelo National Center for Biotechnology Information
  3. 3,0 3,1 DNA por Wikipedia
  4. Strand Direction University of Texas Health Center
  5. Another Intelligent Design Prediction Fulfilled: Function for a Pseudogene by Casey Luskin. Evolution News and Views. May 9, 2008
  6. DNA Sequencing U.S. Department of Energy Office of Science, Office of Biological and Environmental Research, Human Genome Program
  7. 7,0 7,1 7,2 History of DNA Research, by ThinkQuest