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DNA

Interacções com proteínas

Interacções com proteínas
Todas as funções do DNA dependem de interacções com proteínas. Estas interacções com proteínas podem ser não-específicas, ou a proteína pode ligar-se especificamente a uma única sequência de DNA. Algumas enzimas também se podem ligar ao DNA. Destas, as polimerases que copiam as sequências de DNA na transcrição e replicação são particularmente importantes.

Proteínas que se ligam ao DNA (DNA-binding)



Interacção do DNA com histonas (mostrado em branco, em cima). Os aminoácidos básicos destas proteínas (em baixo à esquerda, em azul) liga-se aos grupos fosfato do DNA (em baixo à direita, em vermelho).Proteínas estruturais que se ligam ao DNA são exemplos bem estudados de interacções não-específicas DNA-proteínas. Nos cromossomas, o DNA está ligado a proteínas estruturais formando complexos. Estas proteínas organizam o DNA numa estrutura compacta, a cromatina. Em eucariontes esta estrutura envolve a ligação do DNA a um complexo de pequenas proteínas básicas chamadas histonas, enquanto que em procariontes estão envolvidas vários tipos de proteínas. As histonas formam um complexo em forma de disco, o nucleossoma, que contem duas voltas completas de DNA de cadeia dupla enrolado à sua volta. Estas interacções não específicas formam-se quando os resíduos básicos das histonas fazem ligações iónicas ao esqueleto açúcar-fosfato acídico do DNA, e por isso são largamente independentes da sequência de bases. Modificações químicas nestes resíduos de amino-ácidos inclui metilação, fosforilação e acetilação. Estas mudanças químicas alteram a força da interacção entre o DNA e as histonas, tornando o DNA mais ou menos acessível a factores de transcrição e mudando a taxa de transcrição. Outras proteínas com ligação a DNA não-específicas incluem o grupo de proteínas de alta mobilidade, que se ligam a DNA dobrado ou distorcido. Estas proteínas são importantes pois dobram conjuntos de nucleossomas e organizam-nos em estruturas maiores que perfazem os cromossomas.
Um grupo distinto destas proteínas são as que se ligam especificamente a DNA de cadeia simples. Nos humanos, a proteína de replicação A é o membro desta família melhor compreendido e é usado em processos onde a dupla hélice é separada, incluindo durante a replicação do DNA, recombinação e reparo.Estas proteínas parecem estabilizar DNA de cadeia dupla e protegem-no da formação de hairpin loops ou de ser degradado por nucleases.

Ácido desoxirribonucleico

O ácido desoxirribonucleico (ADN, em português: ácido desoxirribonucleico; ou DNA, em inglês: deoxyribonucleic acid), é um composto orgânico cujas moléculas contêm as instruções genéticas que coordenam o desenvolvimento e funcionamento de todos os seres vivos e alguns vírus. O seu principal papel é armazenar as informações necessárias para a construção das proteínas e ARNs. Os segmentos de ADN que são responsáveis por carregar a informação genética são denominados genes. O restante da sequência de ADN tem importância estrutural ou está envolvido na regulação do uso da informação genética.

A estrutura da molécula de ADN foi descoberta conjuntamente pelo estadunidense James Watson e pelo britânico Francis Crick em 7 de Março de 1953, o que lhes valeu o Prêmio Nobel de Fisiologia/Medicina em 1962, juntamente com Maurice Wilkins.

Do ponto de vista químico, o ADN é um longo polímero de unidades simples (monômeros) de nucleotídeos, cujo cerne é formado por moléculas de açúcares e fosfato intercalados unidos por ligações fosfodiéster. Ligada à molécula de açúcar está uma de quatro bases nitrogenadas e é a sequência dessas bases ao longo da molécula de ADN que carrega a informação genética. A leitura destas sequências é feita através do código genético, o qual especifica a sequência linear dos aminoácidos das proteínas. A tradução é feita por um RNA mensageiro que copia parte da cadeia de ADN por um processo chamado transcrição e posteriormente a informação contida neste é "traduzida" em proteínas pela tradução. Embora a maioria do ARN produzido seja usado na síntese de proteínas, algum ARN tem função estrutural, como por exemplo o ARN ribossômico, que faz parte da constituição dos ribossomos.

Dentro da célula, o ADN pode ser observado numa estrutura chamada cromossoma durante a metafase e o conjunto de cromossomas de uma célula forma o cariótipo. Antes da divisão celular os cromossomas são duplicados através de um processo chamado replicação. Eucariontes como animais, plantas e fungos têm o seu ADN dentro do núcleo enquanto que procariontes como as bactérias o têm disperso no citoplasma. Dentro dos cromossomas, proteínas da cromatina como as histonas compactam e organizam o ADN. Estas estruturas compactas guiam as interacções entre o ADN e outras proteínas, ajudando a controlar que partes do ADN são transcritas.

O ADN é responsável pela transmissão das características hereditárias de cada ser vivo.

Funções biológicas

O DNA ocorre normalmente como cromossomas lineares em eucariotas, e como cromossomas circulares em procariotas. O conjunto dos cromossomas numa célula perfazem o seu genoma; o genoma humano tem aproximadamente 3 mil milhões de pares de base dispostos em 46 cromossomas. A informação transportada pelo DNA está contida nas sequências de pedaços de DNA chamados genes. A transmissão da informação genética dos genes é conseguida via a complementaridade do emparelhamento das bases. Por exemplo, na transcrição, quando uma célula usa a informação num gene, a sequência de DNA é copiado para uma sequência de RNA complementar através da atracção entre o DNA e os nucleotídeos de RNA correctos. Normalmente, esta cópia de RNA é depois usada para fazer uma sequência proteica correspondente no processo de tradução que depende da mesma interacção entre nucleotídeos de RNA. Alternativamente, uma célula pode simplesmente copiar a sua informação genética num processo chamado replicação do DNA.

[editar] Genes e genomas
Ver artigos principais: Núcleo celular, Cromatina, Cromossoma, Gene, DNA não-codificante.
O DNA genómico está localizado no núcleo celular dos eucariontes, assim como em pequenas quantidades em mitocôndrias e em cloroplastos. Em procariontes, o DNA está dentro de um corpo de forma irregular no citoplasma chamado nucleóide[58] A informação genética num genoma está nos genes, e o conjunto completo desta informação num organismo é chamado o seu genótipo. Um gene é a unidade básica da hereditariedade e é uma região do DNA que influencia uma característica particular num organismo. Genes contêm uma open reading frame que pode ser transcrita, assim como sequências reguladoras tais como promotores ou enhancers, que controlam a transcrição da open reading frame.

Em muitas espécies, apenas uma pequena fracção da sequência total do genoma codifica uma proteína. Por exemplo, apenas 1,5% do genoma humano consiste de exões (que codificam proteínas), com mais de 50% do DNA humano consistindo de sequências repetitivas. As razões para a presença de tanto DNA não-codificante em genomas eucarióticos e as extraordinárias diferenças no tamanho do genoma, ou valor C, entre espécies representam um enigma ainda não decifrado conhecido por "C-value enigma" (paradoxo do valor C). Contudo, sequências de DNA que não codificam proteínas podem ainda codificar moléculas de RNA não-codificante funcional, que estão envolvidas na regulação da expressão génica.


T7 RNA polimerase (azul) produzindo um mRNA (verde) a partir de um molde de DNA (laranja).[62]Algumas sequências de DNA não-codificante tem um papel estrutural nos cromossomas. Os telómeros e centrómeros contêm tipicamente poucos genes, mas são importantes para a função e estabilidade dos cromossomas. Uma forma abundante de DNA não codificante em humanos são pseudogenes, que são cópias de genes que foram desabilitados por mutação.[64] Estas sequências são usualmente apenas fósseis moleculares, apesar de poderem servir ocasionalmente como material genético em bruto para a criação de novos genes através do processo de duplicação de genes e divergência

Descoberta

Elucidação da composição química
As desconfianças quanto à real existência da nova substância descrita por Miescher só foram superadas por volta de 1889, quando Richard Altmann (1852-1900) obteve preparações altamente purificadas de nucleína, sem nenhuma contaminação por proteínas. Pelo fato de a substância ter caráter ácido, o que já havia sido detectado por Miescher, Altmann sugeriu que ela fosse chamada de ácido nucléico em vez de nucleína.

Outro pesquisador pioneiro na descoberta foi Albrecht Kossel (1853-1927). Em 1877, ele juntou-se ao grupo de pesquisa de Hoppe-Seyler, então trabalhando na Universidade de Estrasburgo (França), e começou a estudar a composição química das nucleínas. Kossel detectou dois tipos de bases nitrogenadas já conhecidas, a adenina e a guanina. Em 1893, identificou uma nova base nitrogenada, que era liberada pela degradação de nucleína da células do timo; por isso denominou-a timina. Logo em seguida, descobriu que a nucleína continha um quarto tipo de base nitrogenada, a qual denominou citosina. Em 1894, o grupo liderado por Kossel descobriu que os ácidos nucleicos continham também pentose, um açúcar com cinco átomos de carbono.

Em 1909, Phoebis Levine e Walter Jacobs (1883-1967) conseguiram determinar a organização das moléculas de fosfato, de pentose e base nitrogenada no ácido nucléico. Esses três componentes estão unidos entre si formando uma unidade fundamental, o nucleotídeo. Em 1930, Levine e colaboradores identificaram pentoses componente do ácido nucléico das células do timo, que denominaram 2-deoxi-D-ribose, pelo fato de ela possuir, no carbono 2 de sua cadeia, um átomo de oxigênio a menos que a ribose, uma pentose já conhecida, encontrada pelos pesquisadores em dois tipos de ácidos nucléicos: o ácido ribonucléico, ou ribose, e o ácido desoxirribonucléico, ou DNA, cujo açúcar é a desoxirribose.

[editar] Descoberta da transformação

Frederick Griffith em 1936.Frederick Griffith fez uma importante observação no curso dos experimentos com a bactéria Streptococcus pneumoniae em 1928. Esta bactéria, que causa a pneumonia nos humanos, normalmente é letal em camundongos. Entretanto algumas linhagens desta espécie de bactérias desenvolviam-se menos virulentas (menos capazes de causar doenças ou morte). Nos experimentos de Griffith, ele usou duas linhagens que são distinguíveis pelo surgimento de suas colônias quando cultivadas em laboratório. Uma linhagem era um tipo normalmente virulento e mortal para a maioria dos animais de laboratório. As células desta linhagem estão envoltas em uma cápsula de polissacarídeo, dando às colônias em aspecto liso, donde esta linhagem ser identificada com S. A outra linhagem de Griffith era um tipo mutante não virulento que crescia em camundongos mas sem ser letal. Nesta linhagem, a capa de polissacarídeo está ausente, dando às colônias um aspecto rugoso . Esta linhagem é chamada R.

Griffith matou algumas células virulentas, fervendo-as. Ele então injetou as células mortas por aquecimento nos camundongos. Os camundongos sobreviveram, mostrando que os restos das células não causam morte. Entretanto os camundongos injetados com uma mistura de células não virulenta mortas por aquecimento e células não virulentas vivas, morreram. Além disso, as células vivas podiam ser recuperadas de camundongos mortos. Estas células deram colônias lisas e foram virulentas em uma injeção subseqüente. De algum modo, os restos das células S aquecidas haviam convertido células R vivas em células S vivas.[3]


Streptococcus pneumoniae.A etapa seguinte era determinar que componente químico das células doadoras mortas havia causado esta transformação. Esta substância tinha mudado o genótipo da linhagem receptora e portanto podia ser uma candidata ao material genético. Este problema foi resolvido pelos experimentos feitos em 1944 por Oswald Avery e dois colegas, C M. Macleod e M. McCarty. Seu enfoque ao problema foi destruir quimicamente todas as principais categorias de substâncias no extrato das células mortas, uma de cada vez, e descobrir se o extrato havia perdido a habilidade em transformar. As células virulentas tinham uma capa lisa de polissacarídeo, enquanto as células não virulentas, não. Assim os polissacarídeos eram um candidato óbvio a ser o agente transformante. Entretanto, quando os polissacarídeos foram destruídos, a mistura ainda podia transformar. As proteínas, gorduras e ácido ribonucleico (RNA) foram todos demostrados como não sendo o agente transformante. A mistura só perdia a sua habilidade transformante quando a mistura doadora era tratada com enzima desoxirribonuclease (DNase), que quebra o DNA. Estes resultados indicavam fortemente que o DNA era o material genético. Hoje sabemos que os fragmentos do DNA transformante que conferem virulência entram no cromossomo bacteriano e substituem suas contrapartes que confere não virulência.[4]

História

A história do DNA começa no final da década de 1860, com a chegada do médico suíço Friedrich Miescher (1844-1895) à Universidade de Tübingen, uma pacata cidade no sul da Alemanha. O jovem pesquisador estava disposto à dedicar-se ao estudo da química da célula e escolheu essa universidade porque nela o químico Felix Hoppe-Seyler (1825-1895) havia inaugurado um importante laboratório de química fisiológica. Na época floresciam ideias a respeito das origens e das funções das células. Há pouco tempo, a teoria da geração espontânea havia sido definitivamente desacreditada. A teoria celular estabelecia-se como um dos pilares da Biologia. Por tudo isso, as células atraíam a atenção de estudantes entusiasmados, como Miescher.

Felix Hoppe-Seyler foi quem primeiro descreveu as interações entre a hemoglobina, a proteína responsável pela cor do sangue, e o gás oxigênio. Seu trabalho levou-o a interessar-se aos glóbulos brancos presentes na circulação sangüínea. Foi por sugestão de Hoppe-Seyler que Miescher começou a estudar a química das células do pus; o material para a pesquisa era abundante, pois dezenas de bandagens com material purulento eram diariamente descartadas por um hospital próximo à universidade. Miescher trabalhou para desenvolver técnicas adequadas à retiração das células de pus das bandagens e à preparação para a análise química. O objetivo inicial era investigar as proteínas celulares, um grupo de substâncias descoberto cerca de trinta anos antes.

Em um dos seus muitos experimentos com células do pus, Miescher obteve um precipitado que diferia quimicamente de todas as substâncias protéicas conhecidas. Ele descobriu que a nova substância concentrava-se no núcleo celular, na época considerado uma estrutura de pouca importância para o funcionamento celular. Aprimorando os métodos de extração e purificação da nova substância, Miescher demonstrou que, além de estar nas células do pus, ela também estava presente em materiais tão diversos quanto o rim, o fígado , o testículo, a levedura e as hemácias nucleadas das aves.

A análise química mostrou que as quantidades relativas dos elementos hidrogênio (H), carbono (C), oxigênio (O) e nitrogênio (N) presentes diferiam das encontradas em proteínas; além disso, à substância descoberta Miescher denominou-a nucleína, pelo fato de ela estar concentrada no núcleo das células.

O trabalho sobre nucleína só foi publicado em 1871, após certa resistência do editor da revista científica, o próprio Hoppe-Seyler, que, no início, não acreditou nos resultados apresentados por Miescher. Mesmo depois da publicação do trabalho, muitos pesquisadores continuaram duvidando da existência da nucleína; na opinião deles, o achado de Miescher devia ser uma mistura de fosfato inorgânico e proteínas