A complexidade da vida


A Complexidade da Vida (Parte I) – DNA

 

DNA with Features

Figura 1 – Estrutura de DNA (Fonte: FreePages).

 

A descoberta de que o DNA é a molécula genética primordial que contém toda a informação hereditária nos cromossomos atraiu imediatamente a atenção para sua estrutura. Esperava-se que o conhecimento da estrutura do DNA revelasse como o DNA transporta as mensagens genéticas que são replicadas quando os cromossomos se dividem, produzindo duas cópidas idênticas. No final da década de 1940 e no início da de 1950, vários grupos de pesquisa dos Estados Unidos e na Europa buscaram, com grande empenho – ao mesmo tempo cooperativo e competitivo –, entender como os átomos do DNA são mantidos unidos por ligações covalentes e como as moléculas resultantes estão organizadas no espaço tridimensional. Não é de surpreender que, na época, existissem idéias de que o DNA pudesse apresentar estruturas muito complicadas e talvez até bizarras, que diferiam radicalmente de um gene para outro. Foi um grande alívio, e uma alegria geral, descobrir que a estrutura fundamental do DNA é uma dupla hélice. Esta estrutura demonstrou que todos os genes apresentam basicamente a mesma forma tridimensional e que as diferenças entre dois genes encontram-se na ordem e no número de seus quatro nucleotídeos construtores ao longo das fitas complementares.

 

Atualmente, mais de 50 anos após a descoberta da dupla hélice, essa descrição simples do material genético continua a ser verdadeira, e não foi necessário fazer grandes alterações para acomodar as novas descobertas. Apesar disso, constatamos que a estrutura do DNA não é tão uniforme como primeiramente imaginado. Por exemplo, os cromossomos de alguns vírus pequenos são moléculas de fita simples e não dupla. Além disso, a orientação precisa dos pares de bases varia levemente para cada par de base, influenciada pela sequência local de DNA. Algumas sequencias de DNA até permitem que a dupla hélice se enrole para o lado esquerdo, oposto ao lado direito originalmente formulado para a estrutura geral do DNA. E, enquanto algumas moléculas de DNA são lineares, outras são circulares. Uma complexidade adicional também resulta do superenrolamento (torção adicional) da dupla hélice, frequentemente em torno de núcleos de proteínas ligadoras de DNA. [grifos nossos]

 

Da mesma forma, percebemos agora que o RNA, que à primeira vista parece muito semelhante ao DNA, tem características distintivas próprias. Ele é encontrado principalmente como uma molécula de fita simples. No entanto, através do pareamento de bases intracadeia, o RNA assume características de dupla hélice e é capaz de se dobrar em uma diversidade de estruturas terciárias. Essas estruturas são cheias de surpresa, como pareamentos de bases que não são tradicionais, interações base-esqueleto e configurações semelhantes a nós. Mais surpreendente, e de enorme relevância evolutiva, é que algumas moléculas de RNA são enzimas que promovem reações centrais na transferência de informação dos ácidos nucléicos para as proteínas. Claramente, as estruturas do DNA e do RNA são mais ricas e mais complexas do que originalmente observado. De fato, não existe uma estrutura genérica para DNA e RNA. Existem variações estruturais comuns localizadas que surgem a partir de propriedades físicas, químicas e topológicas únicas de uma cadeia polinucleotídica. [grifos nossos]

 

ESTRUTURA DO DNA

O DNA É COMPOSTO DE CADEIAS POLINUCLEOTÍDICAS

 

A característica mais importante do DNA é que, normalmente, ele é composto por duas cadeias polinucleotídicas enroladas uma ao redor da outra na forma de uma dupla hélice (Figura 1). A Figura 1 apresenta um diagrama esquemático da estrutura de dupla hélice. Note que, se for invertida 180° (por exemplo, se o livro for virado de cabeça para baixo), a dupla hélice parecerá superficialmente a mesma, devido à natureza complementar das duas fitas de DNA. O modelo de preenchimento para a dupla hélice (Figura 2), mostra os componentes (hidrogênio, oxigênio, carbono no éster de fosfato da cadeia, carbono e nitrogênio nas bases e fósforo) da molécula de DNA e suas posições relativas na estrutura helicoidal. O esqueleto de cada fita da hélice é composto por resíduos alternados de açucar e fosfato; as bases se projetam para o lado de dentro, mas estão acessíveis através das cavidades maior e menor.

 

dna

Figura 2 – Estrutura de DNA: modelo de preenchimento (Fonte: Blog CMDMC).

 

Iniciaremos considerando a natureza do nucleotídeo, o bloco construtor fundamental do DNA. O nucleotídeo consiste de um fosfato ligado a um açucar, conhecido como 2’-desoxirribose, ao qual a base está ligada. O fosfato e o açucar apresentam as estruturas mostradas na Figura 3. O açucar é uma 2’-desoxirribose porque não possui um grupo de hidroxila na posição 2’ (apenas dois hidrogênios). Podemos visualizar como as bases são ligadas ao açucar imaginando a remoção de uma molécula de água entre o grupo hidroxila do carbono 1’ do açucar e a base, formando a ligação glicosídica. O açucar ligado à base é chamado nucleosídeo [um nucleotídio incompleto]. Da mesma forma, podemos imaginar a ligação do fosfato ao açucar pela remoção de uma molécula de água entre o fosfato e o grupo hidroxila do carbono 5’, formando um 5’-fosfo-monoéster. A adição de um grupo fosfato (ou mais) a um nucleosídeo [base nitrogenada + açucar] dá origem a um nucleotídeo (Figura 3). Assim, um nucleotídeo é formado por uma ligação glicosídica entre a base e o açucar, e uma ligação fosfoéster entre o açucar e o ácido fosfórico.

 

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Figura 3 – Elementos químicos que compõe o nucleotídeo (Fonte: Blog TDBio).

 

Os nucleotídeos são, por sua vez, ligados entre si nas cadeias polinucleotídicas, através do grupo 3’-hidroxila da 2’-desoxirribose [açucar] de um nucleotídeo ao fosfato ligado ao grupo 5’-hidroxila do outro nucleotídeo. A ligação fosfodiéster, na qual o grupo fosforil está entre os dois nucleotídeos, então, possui um açucar esterificado através de um grupo 3’-hidroxila e um segundo açucar também esterificado através do grupo 5’-hidroxila. As ligações fosfodiéster criam o esqueleto repetitivo de açucar-fosfato da cadeia polinucleotídica, uma característica regular do DNA (Figura 4).

 

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Figura 4 – União dos nucleotídeos em cadeias polinucleotídicas (Fonte: Bio-Trabalho).

 

Em contraste, a ordem das bases ao longo da cadeia polinucleotídica é irregular. Esta irregularidade, junto com o comprimento extenso, são a base do enorme conteúdo informacional do DNA. As ligações fosfodiéster conferem uma polaridade inerente à cadeia de DNA. Essa polaridade é definida pela assimetria dos nucleotídeos e pela maneira como eles estão unidos. As cadeias de DNA apresentam um grupo 5’-fosfato ou um grupo 5’-hidroxila livre em uma extremidade, e um grupo 3’-fosfato ou 3’-hidroxila livre na outra extremidade. Convencionou-se escrever as sequências de DNA da extremidade 5’ (à esquerda) para a extremidade 3’, geralmente com um 5’-fosfato e uma 3’-hidroxila.

 

CADA BASE APRESENTA UMA FORMA TAUTOMÉRICA PREFERENCIAL

 

 

As bases no DNA classificam-se em dois tipos, purinas e pirimidinas. As purinas são a adenina e a guanina, e as pirimidinas são a citosina e a timina. As purinas derivam da estrutura de dóis anéis. A adenosina e a guanina compartilham essa estrutura geral, mas com diferentes grupos ligados. Da mesma forma, a citosina e a timina são variações da estrutura de um único anel, conforme observamos na Figura 5. Cada uma das bases existe em dois estados tautoméricos alternativos, os quais estão em equilíbrio entre si. O equilíbrio é bastante deslocado para o lado das estruturas convencionais, que representam os estados predominantes e importantes para o pareamento de bases. Os átomos de nitrogênio ligados aos anéis das purinas e das pirimidinas estão na forma amino no estado predominante e apenas raramente assumem a configuração imino. Da mesma forma, os átomos de oxigênio ligados à guanina e à timina normalmente estão na forma ceto e apenas raramente assumem a configuração enol.

 

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Figura 5 – Purinas e pirimidinas (Fonte: Biomarista).

 

AS DUAS FITAS DA DUPLA HÉLICE SÃO UNIDAS PELO PAREAMENTO DE BASES EM ORIENTAÇÃO ANTIPARALELA

 

A dupla hélice é composta por duas cadeias polinucleotídicas mantidas unidas por ligações não-covalentes fracas entre os pares de bases [pontes de hidrogênio]. A adenina em uma cadeia sempre está ligada por pareamento de bases com a timina na outra cadeia e, da mesma forma, a guanina sempre realiza o pareamento de bases com a citosina. As duas fitas apresentam a mesma geometria helicoidal, mas o pareamento de bases mantém as fitas unidas com a polaridade oposta. Ou seja, a base na extremidade 5’ de uma fita realiza o pareamento de bases com a extremidade 3’ da outra fita. Assim, as fitas apresentam uma orientação antiparalela. Essa orientação antiparalela é uma consequência estereoquímica do modo pelo qual a adenina e a timina, e a guanina e a citosina, pareiam entre si.

 

AS DUAS FITAS DA DUPLA HÉLICE APRESENTAM SEQUÊNCIAS COMPLEMENTARES

 

 

O pareamento entre a adenina [A] e a timina [T], e entre a guanina [G] e a citosina [C], resulta em uma relação de complementaridade entre a sequência das bases nas duas cadeias entrelaçadas e fornece ao DNA seu caráter autocodificador. Por exemplo, se a sequência 5’-ATGTC-3’ ocorre em uma cadeia, a cadeia oposta deverá apresentar a sequência complementar 3’-TACAG-5’. A rigidez das regras neste pareamento de “Watson-Crick” deriva da complementaridade da forma e das propriedades para formar pontes de hidrogênio entre a adenina e a timina e entre a guanina e a citosina. A adenina e a timina se combinam de maneira que uma ponte de hidrogênio pode ser formarda entre o grupo amino exocíclico do carbono sexto da adenina e o grupo carboxílico do carbono quarto da timina; e, da mesma forma, uma ponte de hidrogênio pode ser formada entre o nitrogênio primeiro da adenina e o nitrogênio terceiro da timina. Uma disposição equivalente pode ser delineada para uma guanina e uma citosina, de modo que existe complementaridade por pontes de hidrogênio e por forma no pareamento de bases. Um par de bases G:C possui três pontes de hidrogênio, porque o NH2 exocíclico no C2 da guanina está contraposto a um grupo carboxílico ao C2 da citosina, formando uma ponte de hidrogênio. Da mesma maneira, uma ponte de hidrogênio pode ser formada entre N1 da guanina e N3 da citosina e entre a carbonila no C6 da guanina e o NH2 exocíclico no C4 da citosina. O pareamento de bases do tipo “Watson-Crick” necessita que as bases estejam em seus estados tautoméricos preferenciais.

 

pontes_hidrogenio

Figura 6 – Pontes de hidrogênio ligando as bases nitrogenadas das cadeias polinucleotídicas complementares (Fonte: Biomania).

 

Uma característica importante da dupla hélice é que os dois pares de bases apresentam exatamente a mesma geometria; a presença de um par de bases A:T ou um G:C entre os dois açucares não perturba a disposição dos açucares, porque a distância entre os pontos de ligação do açucar é a mesma para ambos os pares de bases. O mesmo vale para T:A ou C:G. Em outras palavras, existe uma simetria aproximadamente bilateral que relaciona os dois açucares e as quatro bases, que podem ser acomodados dentro da mesma disposição sem qualquer distorção na estrutura geral do DNA. Além disso, os pares de bases podem ser empilhados em cima uns dos outros entre os dois esqueletos helicoidais de açucar-fosfato.

 

A FORMAÇÃO DE PONTES DE HIDROGÊNIO É IMPORTANTE PARA A ESPECIFICIDADE DO PAREAMENTO DE BASES

 

As pontes de hidrogênio [Figura 6, sequência de pontilhados ——— entre uma fita e outra] entre as bases complementares são uma característica essencial da dupla hélice, contribuindo para sua estabilidade termodinâmica e para a especificidade do pareamento de bases. A primeira vista, a formação de pontes de hidrogênio parece não contribuir de forma significativa para a estabilidade do DNA, pelas seguintes razões:

  • Uma molécula orgânica em solução aquosa tem suas propriedades de ligação por pontes de hidrogênio satisfeitas pelas moléculas de água que vêm e vão muito rapidamente. Como resultado, para cada ponte de hidrogênio que é formada quando um par de bases é constituído, ocorre o rompimento de uma das pontes de hidrogênio já existentes, antes da formação do par de bases, com a água. Assim, a contribuição energética líquida das pontes de hidrogênio para a estabilidade da dupla hélice poderia parecer modesta.

 

Entretanto, quando as fitas polinucleotídicas estão separadas, as moléculas de água estão alinhadas sobre as bases. Quando as fitas formam a dupla hélice, as moléculas de água são deslocadas das bases. Isso cria desordem e aumenta a entropia, estabilizando a dupla hélice. Uma segunda contribuição importante vem das interações de empilhamento entre as bases. As bases são moléculas planares, relativamente insolúveis em água, e tendem a se empilhar umas sobre as outras, aproximadamente em perpendicular à direção do eixo helicoidal. As interações das nuvens eletrônicas (r-r) entre as bases na pilha helicoidal contribuem de forma significativa para a estabilidade da dupla hélice.

 

A formação de pontes de hidrogênio também é importante para a especificidade do pareamento de bases. Suponha que tentemos parear uma adenina com uma citosina. Teríamos um receptor de ponte de hidrogênio (N1 da adenina) localizado do lado oposto a um receptor de ponte de hidrogênio (N3 da citosina) sem espaço para uma molécula de água posicionar-se entre eles e satisfazer aos dois receptores. Da mesma forma, dois doadores de pontes de hidrogênio, os grupos NH2 em C6 da adenina e em C4 da citosina, estariam localizados de forma oposta um em relação ao outro. Assim, um par de bases A:C seria instável, porque uma molécula de água teria de ser removida dos grupos doadores e receptores sem que a ponte de hidrogênio formada com o par de bases fosse restaurada.

 

AS BASES SÃO DESLOCADAS DA DUPLA HÉLICE

 

A energética da dupla hélice favorece o pareamento de cada base em uma fita polinucleotídica com a base complementar na outra fita. Às vezes, entretanto, algumas bases podem se projetar para fora da dupla hélice, pelo extraordinário fenômeno conhecido como deslocamento de bases. [grifos nossos] Isso é imporantíssimo para o DNA, pois determinadas enzimas que metilam bases ou removem bases danificadas, atuam sobre uma base em uma configuração extra-helicoidal, na qual a base é descolada para fora da dupla hélice, possibilitando o encaixe da base na cavidade catalítica da enzima. Além disso, acredita-se que as enzimas envolvidas na recombinação homóloga e no reparo do DNA vasculhem o DNA procurando homologias ou lesões deslocando a base após base. Esse processo não é energeticamente dispendioso porque apenas uma base é deslocada de cada vez. Obviamente, o DNA é mais flexível do que se poderia imaginar em um primeiro momento.

 

A DUPLA HÉLICE POSSUI CAVIDADES MENOR E MAIOR

 

Como resultado da estrutura duplo-helicoidal das duas cadeias, a molécula de DNA é um longo polímero estendido com duas cavidades que diferem em tamanho entre si. Por que existe uma cavidade menor e uma cavidade maior? Essa é uma consequência simples da geometria dos pares de bases. O ângulo no qual os dois açucares se projetam dos pares de bases (ou seja, o ângulo entre as ligações glicosídicas) é cerca de 120° (para o ângulo mais estreito ou de 240° para o ângulo mais aberto). Como resultado, a medida que mais pares de bases se empilham uns sobre os outros, o ângulo mais estreito entre os açucares em uma das extremidades dos pares de bases gera a cavidade menor, e o ângulo mais aberto, na outra extremidade, gera a cavidade maior. (Se os açucares estivessem afastados em uma linha reta, ou seja, formando um ângulo de 180°, então as duas cavidades seriam de dimensões iguais e não existiriam das cavidades maior e menor). Contudo, a cavidade maior é mais rica em informação química justamente por contemplar mais pares de bases empilhados.

 

AS FITAS DO DNA PODEM SER SEPARADAS (DESNATURADAS) E REASSOCIADAS

 

Como as duas fitas da dupla hélice são mantidas unidas por forças relativamente fracas (não-covalentes), seria esperado que as duas fitas pudessem ser facilmente separadas. De fato, a estrutura original para a dupla hélice sugeriu que a replicação do DNA poderia ocorrer apenas dessa maneira. As fitas complementares da dupla hélice também podem ser separadas quando uma solução de DNA é aquecida acima de temperatura fisiológica (próximo a 100°C) ou sob condições de pH elevado, em um processo conhecido como desnaturação. Entretanto, a separação completa das fitas do DNA por desnaturação é reversível. Quando soluções aquecidas de DNA desnaturado são resfriadas lentamente, as fitas simples frequentemente encontram suas fitas complementares e restauram as duplas hélices regulares. [grifos nossos]

 

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Figura 7 – Processo de desnaturação do DNA e sua reversibilidade (Fonte: University of Virginia).

A capacidade de renaturar moléculas de DNA desnaturadas permite que sejam formadas moléculas de DNA artificiais híbridas, pelo resfriamento lento de misturas de DNA desnaturado, oriundas de duas fontes diferentes. Da mesma forma, podem ser formados híbridos entre fitas complementares de DNA e RNA. A capacidade de formar híbridos entre dois ácidos nucléicos de fitas simples, chamada de hibridização é a base de diversas técnicas fundamentais na biologia molecular, como a hibridização por Southern blot e as análises de microarranjos de DNA.

TOPOLOGIA DO DNA

Como o DNA é uma estrutura flexível, seus parâmetros moleculares exatos são uma função do ambiente iônico que o rodeia e da natureza das proteínas que se ligam a ele, com as quais o DNA forma complexos. Como suas extremidades são livres, as moléculas lineares de DNA podem sofrer rotações livremente, acomodando as alterações no número de vezes que as duas cadeias da dupla hélice se torcem uma sobre a outra. Porém, se as duas extremidades estão covalentemente ligadas, formando uma molécula de DNA circular, e se não existem interrupções nos esqueletos açucar-fosfato das duas fitas, então, o número absoluto de vezes que as cadeias podem se torcer uma sobre a outra não pode variar.

 

O DNA circular covalentemente fechado é topologicamente limitado. Mesmo as moléculas lineares dos cromossomos eucarióticos estão sujeitas à limitações topológicas, devido a seus comprimentos extremos, entrelaçamentos na cromatina e interações com outros componentes celulares. Apesar dessas limitações, o DNA participa de inúmeros processos dinâmicos na célula. Por exemplo, as duas fitas da dupla hélice, que estão torcidas uma sobre a outra, devem ser separadas rapidamente, a sim de serem duplicadas e transcritas em RNA. Assim, o entendimento da topologia do DNA e de como a célula acomoda e explora as limitações topológicas durante a replicação, a transcrição e outras atividades cromossômicas são de fundamental importância na biologia molecular.

 

Fonte:

WATSON, James D.; BAKER, Tania A.; BELL, Stephen P.; GANN, Alexander; LEVINE, Michael & LOSICK, Richard. Biologia molecular do gene. 5° edição. Artmed, 2006. p. 97-122.

 

 

“Ele fez a Terra pelo Seu poder; estabeleceu o mundo por Sua sabedoria e com a Sua inteligência estendeu os céus” (Jeremias 51:15)

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