Ácido desoxirribonucleico

Disambig grey.svg Nota: DNA redireciona para este artigo. Para outros significados, veja DNA (desambiguação).
Estrutura de um ADN.
Animação de um ADN de dupla hélice.
PortalA Wikipédia possui o
Portal de Genética

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, e que transmitem as características hereditárias de cada ser vivo. A sua principal função é armazenar as informações necessárias para a construção das proteínas de ARNs. Os segmentos de ADN que contêm 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 norte-americano James Watson e pelo britânico Francis Crick em 7 de Março de 1953, o que lhes valeu o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1962, juntamente com Maurice Wilkins.

Do ponto de vista químico, o ADN é um longo polímero de unidades simples (monômeros) de nucleotídeos, cuja cadeia principal é formada por moléculas de açúcares e fosfato intercalados unidos por ligações fosfodiéster. Ligada à molécula de açúcar está uma de quatro bases nitrogenadas. A sequência de bases ao longo da molécula de ADN constitui a informação genética. A leitura destas sequências é feita por intermédio do código genético, que especifica a sequência linear dos aminoácidos das proteínas. A tradução é feita por um ARN 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 metáfase. O conjunto de cromossomas de uma célula forma o cariótipo. Antes da divisão celular os cromossomas são duplicados por meio de um processo chamado replicação. Eucariontes como animais, plantas, fungos e protozoários 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.

Propriedades físicas e químicas

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 nanómetros de largura, e um nucleotídeo possui aproximadamente 0,33 nanómetros de comprimento.[3] Embora os monômeros (nucleotídeos) que constituem o ADN sejam muito pequenos, os polímeros de ADN podem 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] Uma molécula de ADN do ser humano possui aproximadamente dois metros de comprimento, encapsulada em um núcleo celular de 6 µm, o equivalente a acomodar uma linha de 40 km de comprimento em uma bola de tênis.[1]

Em organismos vivos, o ADN não existe como uma molécula única (cadeia simples), mas sim como um par de moléculas firmemente associadas.[5][6] As duas longas cadeias de ADN enrolam-se como uma trepadeira formando uma dupla hélice. Os nucleotídeos estão presentes em ambas as cadeias da dupla hélice, unidos com nucleótidos da mesma cadeia por ligações fosfodiéster e à cadeia complementar por meio de pontes de hidrogénio formadas pelas suas bases. 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]

Uma cadeia de ADN-B.

A cadeia principal do ADN é formada por fosfato e resíduos de açúcar, dispostos alternadamente. O açúcar no ADN é 2-desoxirribose, uma pentose (açúcar com cinco carbonos). Os açúcares são unidos por grupos fosfato que formam ligações fosfodiester entre o terceiro e quinto átomos de carbono dos anéis de açúcar adjacentes. Estas ligações assimétricas significam que uma cadeia de ADN tem uma direção. Numa dupla hélice, a direção dos nucleotídeos de uma cadeia é oposta à direção dos nucleotídeos da outra cadeia. O formato das cadeia do ADN é designado antiparalelo. As terminações assimétricas das cadeias 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.[1]

A dupla hélice do ADN é estabilizada por pontes de hidrogênio entre as bases presas às duas cadeias. As quatro bases encontradas no ADN são a adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T). Estas quatro bases ligam-se ao açúcar/fosfato para formar o nucleotídeo completo.[1]

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.[1] Exceções para esta regra são os fagos AR9, 3NT, I10, bem como o PBS1 (muito utilizado em pesquisas), que contém uracila no seu ADN, em vez de timina.[8]

Base pair GC.svg
Base pair AT.svg
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 cadeia forma uma ligação com apenas um tipo de base na outra cadeia. 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 bases. Além das pontes de hidrogênio entre as bases, as duas cadeias são mantidas juntas devido a forças geradas por interações hidrofóbicas entre as bases empilhadas, a qual não é influenciada pela sequência do ADN.[9] 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 ADN podem ser separadas como um zíper (fecho de correr) por força mecânica ou altas temperaturas.[10] Como resultado desta complementariedade, toda a informação contida numa das cadeias de ADN está também contida na outra, o que é fundamental para a replicação do ADN.[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. Desta forma a interação entre GC é mais forte que AT. Como resultado, a percentagem de GC numa dupla fita de ADN determina a força de interação entre as duas cadeias.[11] Uma parte da dupla cadeia de ADN que precisa de ser separada facilmente, tal como a TATAAT Caixa de Pribnow nos promotores bacterianos, tende a ter sequências com maior predomínio de AT, para facilitar a abertura da dupla cadeia 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 todos 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 ADN de cadeia simples não têm uma única forma comum, mas algumas conformações são mais estáveis do que outras.[12]

Sulcos

O ADN normalmente encontra-se em forma de uma espiral dextrógira (gira para a direita, ou no sentido horário). Portanto, as duas cadeias de nucleotídeos giram uma sobre a outra e acabam por formar sulcos entre as cadeias de fosfato, deixando expostas as faces das bases nitrogenadas que não estão unidas por pontes de hidrogênio com a base complementar.[13]

Há dois tipos de sulcos na superfície da dupla hélice: um com 22 Å denominado sulco maior e um com 12 Å designado de sulco menor.[14]

A principal função dos sulcos do ADN é fornecer a informação acerca das bases que se encontram ligadas numa determinada região da dupla cadeia sem necessidade de abertura. O sulco maior oferece maior acessibilidade para ligação com proteínas do que o sulco menor. Um exemplo disto é a TBP (TATA-binding protein) uma importante proteína para a transcrição em eucariotas.[15]

Senso e antissenso

Uma sequência de ADN é chamada de senso se possui a mesma sequência do ARNm. A cadeia oposta (complementar) à cadeia "senso" é denominada sequência antissenso. Como a ARN polimerase sintetiza um ARN que é complementar à fita molde, então podemos dizer que ela utiliza a cadeia anti-senso como molde para produzir um ARN. As sequências senso e anti-senso podem existir em diferentes partes da mesma cadeia de ADN, 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 cadeia senso ou antissenso. Isto acontece devido à existência de genes que se sobrepõem. Neste caso ambas as cadeias dão origem a um ARN.[16] Nas bactérias, a sobreposição pode estar envolvida da regulação da transcrição.[17]

Nos vírus, a sobreposição aumenta a capacidade do armazenamento de informações em pequenos genomas virais.[18]

Superenrolamento

O ADN pode ser torcido num processo denominado superenrolamento. No estado relaxado do ADN, uma fita normalmente dá uma volta completa ao eixo da dupla hélice a cada 10,4 pares de base, mas se o ADN está torcido, as cadeias ficam mais ou menos enroladas.[19]

Se o ADN está torcido na direção da hélice, é denominado um superenrolamento positivo e as bases estão unidas mais firmemente. Já o superenrolamento negativo refere-se a uma torção na direção oposta, resultando num afrouxamento das bases. Na natureza, o ADN apresenta um ligeiro superenrolamento negativo que é causado pela ação da enzima topoisomerase.[20]

Estas enzimas também são necessárias para aliviar o estresse de torção causado no ADN durante os processos de transcrição e replicação.[21]

Estrutura alternativa da dupla hélice

Da direita para a esquerda, a estrutura do ADN A, B e Z.

O ADN pode existir em muitas formações diferentes. As formações mais comuns são: ADN-A, ADN-B, ADN-C, ADN-D,[22] ADN-E,[23] ADN-H,[24] ADN-L,[22] ADN-P,[25] e ADN-Z.[26]

Porém, só as formações de ADN A, B e Z foram encontradas em sistemas biológicos naturais. A formação que o ADN adopta depende de vários fatores da própria sequência de ADN: a intensidade e direção do superenrolamento, modificações químicas das bases e a solução na qual o ADN está presente (ex.: concentração de metais, iões e poliaminas).[27]

Das três formações referidas, a forma “B” é a mais comum nas condições encontradas nas células.[28]

A forma “A” corresponde à espiral dextra mais larga, com um sulco menor largo e superficial e um sulco maior estreito e profundo. A forma “A” ocorre sob condições não fisiológicas em amostras de ADN desidratadas, enquanto na célula pode ser produzida por pareamento híbrido de ADN e ARN ou pelo complexo enzima-ADN.[29][30]

Em segmentos de ADN onde as bases foram quimicamente modificadas por metilação, o ADN pode sofrer uma grande modificação na sua formação e adoptar a forma ADN-Z. A cadeia gira sobre o eixo da dupla hélice para a esquerda, o oposto da forma mais comum – ADN-B.[31]

Esta estrutura é rara e pode ser reconhecida por proteínas especificas de ligação com o ADN-Z. Pode estar envolvida na regulação da transcrição.[32]

Estruturas em quadrúplex

Ver artigo principal: Quadrúplex-G
Estrutura de um quadrúplex de ADN formado por repetições teloméricas. A conformação do esqueleto de ADN é diferente da típica estrutura helicoidal.[33]

Nas extremidades do cromossomas lineares estão zonas especializadas do ADN chamadas telómeros. A função principal destas regiões é permitir que a célula replique as extremidades do cromossoma usando a enzima telomerase, porque enzimas que permitem replicar ADN normalmente não conseguem copiar as extremidades 3' dos cromossomas.[34] Estas tampas de cromossoma especializadas também ajudam a proteger as extremidades do ADN, e evitam que o sistema de reparação de ADN elimine estas regiões como erros que precisassem de ser corrigidos.[35] Em células humanas, os telómeros têm normalmente vários milhares de repetições de uma sequência simples (TTAGGG).[36]

Estas sequências ricas em guanina podem estabilizar as extremidades dos cromossomas formando estruturas de unidades de quatro bases empilhadas, ao invés dos pares de base usuais encontrados em outras moléculas de ADN. Quatro bases de guanina formam uma placa chata e depois estas unidades chatas de quatro bases empilham-se no topo umas das outras, para formarem estruturas quadrúplex-G estáveis.[37] Estas estruturas são estabilizadas por pontes de hidrogénio entre as margens das bases e por quelação de um ião metálico no centro de cada unidade de quatro bases.[38] Outras estruturas podem também ser formadas, com o conjunto central de quatro bases provenientes de uma cadeia simples enrolada à volta das bases ou de diversas cadeias paralelas, cada uma contribuindo com uma base para a estrutura central.[39]

Além destas estruturas empilhadas, os telómeros também formam grandes estruturas em forma de laço chamados telomere loops ou T-loops. O ADN de cadeia simples enrola-se à volta de um círculo grande estabilizado por proteínas que se ligam a telómeros.[40] Mesmo no fim dos T-loops, o ADN de cadeia simples do telómero é mantido sobre uma região de ADN de cadeia dupla pela cadeia do telómero que desestabiliza o ADN de dupla hélice e o emparelhamento de bases de uma das duas cadeias. Esta estrutura de cadeia tripla é chamada de laço de deslocamento ou D-loop.[37]