DNA

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DNA
Gene: segmento de DNA que contém a informação necessária para a síntese de um produto biológico funcional (como uma proteína ou um RNA), além da sequência reguladora necessária para essa expressão. O genoma humano contém aproximadamente 25.000 genes.
Funções do DNA: armazenamento e transmissão da informação biológica. Genotípica: armazena informações genéticas e transmite para os filhos (hereditariedade); fenotípica: determina o fenótipo, influenciada pela expressão gênica; evolutiva: sofre mutações para produzir variabilidade adaptativa.
Composição
Os nucleotídeos possuem 3 componentes: uma base nitrogenada, uma pentose e um fosfato (a molécula sem o grupo fosfato é chamada de nucleosídeo).
As bases nitrogenadas são derivadas de piramidina e purina. O DNA contém duas bases purínicas principais, adenina (A) e guanina (G), e duas pirimídicas principais, citosina (C) e timina (T). Raramente a uracila ocorre no DNA (a presença da uracila no DNA indica que essa é a fita que deve ser reparada).
As bases e as pentoses dos nucleotídeos usuais são compostos heterocíclicos. A base de um nucleotídeo une-se covalentemente, por meio de uma ligação N-B-glicosídica, ao carbono-1’ da pentose e o fosfato está esterificado ao carbono-5’.
As pontes de hidrogênio entre as bases permitem uma associação complementar de duas (e ocasionalmente três ou quatro) fitas de ácido nucleico.
Os nucleotídeos sucessivos são ligados covalentemente por meio de “pontes” de grupos fosfato, em que o grupo 5’-hidroxila de uma unidade nucleotídica une-se ao grupo 3’-hidroxila do nucleotídeo seguinte por uma ligação fosfodiéster.
Os esqueletos do DNA são hidrofílicos.
Todas as ligações fosfodiésteres possuem a mesma orientação ao longo da cadeia, conferindo a cada fita linear do ácido nucleico uma polaridade específica e distinta nas extremidades 5’e 3’.
A = T e C = G, portanto A + G = T + C
Três pontes de hidrogênio podem se formar entre G e C, mas apenas duas se formam entre A e T.
Estrutura
Duas cadeias helicoidais de DNA que se enrolam em um mesmo eixo formando uma dupla hélice com giro para a direita.
O esqueleto hidrofílico de grupos alternantes desoxirribose e fosfatos carregados negativamente estão na parte externa da dupla hélice, voltado para a água circundante.
Cada base de uma fita está pareada no mesmo plano com uma base de outra fita.
O pareamento de duas fitas cria um sulco principal e um sulco secundário na superfície da dupla fita.
As fitas do DNA são antiparalelas, ou seja, as ligações 5’, 3’-fosfodiésteres ocorrem em direções opostas.
A dupla hélice é mantida pelas pontes de hidrogênio entre os pares de bases complementares e as interações de empilhamento de bases (garantem a estabilidade).
A estrutura de Watson-Crick é referida como forma do DNA (ou DNA B) e é a mais estável. Porém, existem duas variantes estruturais do DNA: formas A (situação de falta de água) e Z (estrutura mais delgada e alongada, com esqueleto em ziguezague).
As moléculas de DNA são empacotadas em cromossomos; um único cromossomo pode carregar milhares de genes. Todos os genes e DNA intergênicos (entre os genes) formam o genoma celular.
O genoma humano consiste em 46 cromossomos, arranjados em 23 pares.
Os cromossomos homólogos possuem os mesmos genes na mesma sequência. Em qualquer locus específico, no entanto, elas podem ter formas idênticas ou levemente diferentes do mesmo gene, chamados de alelos.
Dentro de cada célula, o genoma é armazenado como cromatina, na qual o DNA genômico está combinado com várias classes de proteínas cromossômicas. A cromatina está distribuída por todo o núcleo (exceto na divisão celular) e é relativamente homogênea. Quando a célula se divide, o genoma condensa-se e aparece microscopicamente como cromossomos visíveis.
Histonas são uma família de proteínas cromossômicas básicas que podem constituir um octâmero ao redor do qual um segmento da dupla hélice do DNA irá se enrolar em duas cópias de cada uma das quatro histonas (H2A, H2B, H3 e H4). Cada complexo de DNA com histonas centrais é chamado de nucleossomo.
Os núcleos da histonas tendem a se posicionar em certas localizações, que parecem depender da abundância local dos pares de bases A=T no sulco secundário da hélice do DNA em que ela está em contato com as histonas.
Complexos de histonas e DNA mais o DNA conectante que leva até a próxima conta formam o nucleossomo.
O intenso enrolamento do DNA em volta do núcleo de histona dos nucleossomos requer a compressão do sulco secundário nesses pontos e um agregado de dois ou três pares de bases A=T torna essa compressão mais fácil.
O enrolamento do DNA em volta do núcleo de um nucleossomo compacta-o cerca de 7 vezes; mas a compactação total de um cromossomo é 10.000 vezes, permitida por conta da fibra de 30nm com ajuda da histona H1 e do andaime nuclear. Assim, formam-se espiras em cima de espiras em cima de espiras...
Cromatina é o nome dado ao material cromossômico no período em que a célula não está se dividindo; é amorfo e está disperso no núcleo. Consiste em fibras que contêm proteína e DNA, além de uma pequena quantidade de RNA. 
A heterocromatina é a região mais condensada da cromatina, seus genes estão inativos. Já a eucromatina é a região menos condensada, onde encontramos os genes que são transcritos. Na microscopia, a heterocromatina fica mais corada que a eucromatina.
As enzimas que aumentam ou diminuem o grau de subenrolamento do DNA são as topoisomerases, e a propriedade que elas modificam no DNA é o número de ligação. Essas enzimas desempenham um papel muito importante em processos como a replicação e a compactação do DNA. As células eucarióticas têm topoisomerases do tipo I e do tipo II. As topoisomerases do tipo II de eucariotos não conseguem desenrolar o DNA (introduzir supertorções negativas), mas podem relaxar tanto supertorções negativas quanto positivas.
Uma terceira classe importante de proteínas da cromatina, além das histonas e das topoisomerases, são as proteínas SMC (de structural maintenence of chromosomes). São encontradas em todos os tipos de organismo, das bactérias aos seres humanos. Os eucariotos têm dois tipos principais, as coesinas e as condensinas, e ambas estão ligadas a proteínas regulatórias e acessórias. As coesinas desempenham um papel substancial na manutenção da união das cromátides-irmãs imediatamente após a replicação e quando os cromossomos se condensam para a metáfase. Essa associação é essencial para que os cromossomos sejam adequadamente segregados na divisão celular. Acredita-se que as coesinas, juntamente com uma terceira proteína, a cleisina, formem um anel ao redor dos cromossomos replicados que os mantém juntos até que a separação seja necessária para a divisão celular. O anel pode expandir-se e contrair em resposta à hidrólise de ATP. As condensinas são essenciais para a condensação dos cromossomos quando a célula entra em mitose. Em condições laboratoriais, as tornam o DNA superenrolado, ao contrário daquele com o subenrolamento induzido pela ligação dos nucleossomos.
A supertorção pode ser do tipo plectonêmica, aplicado a qualquer estrutura com cadeias entrelaçadas de forma simples e regular, e essa é uma boa descrição da estrutura geral do DNA supertorcido quando em solução. Entretanto, não proporciona compactação suficiente para acomodar o DNA dentro de uma célula.
Uma segunda forma de supertorção, a forma solenoide, pode ser adotada por um DNA subenrolado. A forma supertorcida solenoide envolve voltas apertadas orientadas à esquerda.
Embora as suas estruturas sejam completamente diferentes, as supertorções plectonêmicas e solenoides são duas formas de supertorção negativa que podem ser mantidas pelo mesmo segmento de DNA subenrolado. As duas formas são facilmente interconversíveis. Embora a forma plectonêmica seja mais estável em solução, a forma solenoide pode ser estabilizada por proteínas ligantes e é a forma encontrada nos cromossomos eucarióticos. Ela proporciona um grau muito maior de compactação.
Estruturas incomuns doDNA
Variações estruturais dependentes de sequência encontradas em cromossomos grandes podem afetar a função e o metabolismo dos segmentos de DNA em suas adjacências (ex: ocorrem curvaturas na hélice de DNA sempre que quatro ou mais resíduos de adenosina aparecem sucessivamente em uma cadeia).
Um tipo de sequência de DNA bem comum é um palíndromo – o termo é aplicado a regiões de DNA com repetições invertidas de sequências de bases tendo simetria dupla nas duas cadeias de DNA; tais sequências são autocomplementares dentro de cada cadeia e, consequentemente, têm potencial para formar estruturas cruciformes (em formato de cruz) ou em grampo; quando a repetição invertida ocorre dentro de cada cadeia individual de DNA, a sequência é denominada repetição de imagem especular.
Algumas estruturas de DNA incomuns envolvem três ou até mesmo quatro cadeias de DNA – um resíduo de citidina (se protonado) pode parear com o resíduo de guanina de um par nucleotídico G’’’C; uma timidina pode parear com a adenosina de um par A’’T. O pareamento do tipo não Watson-Crick é chamado de pareamento de Hoogsteen, permite a formação do tríplex de DNA.
Estrutura cromossômica de eucariotos
Algumas regiões cromossômicas são grandes em conteúdo genético (“ricos em genes”), enquanto outras são menores. Dessa forma, as anormalidades dos cromossomos ou regiões cromossômicas ricas em genes tendem a ser muito mais graves clinicamente do que os defeitos de dimensões semelhantes que envolvem partes do genoma pobres em genes.
O centrômero é essencial para a fixação dos cromossomos aos microtúbulos do aparelho do fuso durante a divisão celular (através do cinetócoro). Além disso, tem papel no emparelhamento das cromátides-irmãs e movimentação cromossômica.
Telômeros são complexos DNA-proteína encontrados nas extremidades dos cromossomos lineares, que os protegem da degradação e da recombinação, estabilizando-os. Devido à observação de que seu tamanho regride ao longo das duplicações celulares até um tamanho mínimo que interrompe a proliferação celular, criou-se a hipótese de que o telômero seria um dos fatores responsáveis pela senescência. Posteriormente foi descoberta uma enzima, a telomerase, capaz de resolver o problema de encurtamento do telômero, catalisando a formação de mais DNA telomérico.
Sequências de DNA
Sequências altamente repetitivas (ou sequência de DNA simples): poucos pares de bases que são repetidos milhões de vezes na célula.
Moderadamente repetitivo: um número um pouco maior de pares de bases são repetidos alguns milhares de vezes.
Pelo menos parte desse DNA repetitivo possui um significado funcional. O DNA restante, que consiste em segmentos únicos ou que se repetem poucas vezes, inclui a maioria dos genes.
DNA satélite: associado a centrômeros e telômeros. Consiste de segmentos de DNA relativamente simples, curtos e altamente repetitivos, que diferem do resto do DNA pela composição de bases. O termo satélite foi ampliado para descrever o DNA altamente repetitivo, cujas sequências dispõem-se lado a lado (em tandem), mesmo que ele não possa ser separado do restante em função de sua densidade nos gradientes.
DNA extranuclear
DNA mitocondrial: as mitocôndrias humanas possuem 37 genes responsáveis pela produção de proteínas envolvidas na respiração celular (3 destes genes codificam enzimas envolvidas na fosforilação oxidativa e os demais codificam o tRNA e o rRNA). Este mtDNA tem genoma fita dupla circular localizado no citoplasma das células. É um padrão de herança materna, ou seja, a sequência é idêntica para todos os familiares por parte de mãe (herança matrilinear).
Bastante utilizado para identificação humana em casos forense. Apresenta mais de 5 mil cópias em uma única célula.
Não possui histonas nem íntrons e não sofre crossing-over.
DNA cloroplastidial: pequena molécula de DNA circular, em maior quantidade e mais complexo que o DNA mitocondrial. Existem 30 a 200 cópias de DNA por organelas, contendo aproximadamente 120 genes. Os genes estão relacionados com os processos de obtenção de ATP pela fotossíntese, além daqueles que codificam RNA e proteínas associadas à maquinaria da expressão gênica.
Gene eucarioto
A maioria dos genes eucarióticos contêm segmentos de DNA que não codificam a sequência de aminoácidos do produto polipeptídico. Tais segmentos são chamados de sequências intercaladas ou íntrons, e os segmentos codificadores de éxons.
Na extremidade 5’ de cada gene encontra-se uma região promotora com sequências responsáveis pelo início da transcrição.
Há também os elementos reguladores (acentuadores, silenciadores ou regiões de controle de locus), localizados na extremidade 5’ ou 3’ de um gene ou no seu íntron.
Na extremidade 3’ do gene encontra-se uma região não-traduzida importante que contém um sinal para a adição de um sequência de adenosinas na extremidade do mRNA maduro.
As sequências de DNA que são extremamente semelhantes a genes conhecidos mas não são funcionais chamam-se pseudogenes. Estão amplamente espalhados pelo genoma e são classificados em processados (não possuem íntrons pois sofreram retrotransposição) e não-processados (genes vestigiais, que já tiveram função mas que agora estão inativados devido a mutações nas sequências codificadoras ou reguladoras).
Nem todos os genes no genoma humano codificam proteínas. Os genes RNA não-codificadores têm como produto final um RNA e estão envolvidos na regulação de outros genes, além de desempenhar papel estrutural. Uma classe importante é a dos genes microRNA, que controlam a expressão ou repressão de outros genes.
Famílias de genes
Muitos genes pertencem a famílias de genes, que compartilham sequências de DNA estreitamente relacionadas e codificam polipeptídeos com sequências de aminoácidos estreitamente relacionados.
O grupo de genes da beta-globina no cromossomo 11 e o grupo de genes da alfa-globina no cromossomo 16 contêm múltiplos genes que codificam cadeias de globinas expressas em diferentes estágios do desenvolvimento humano.
A família de genes do receptor olfatório (OR) é responsável pelo sentido apurado do olfato capaz de reconhecer e de diferenciar milhares de substâncias químicas estruturalmente diferentes. Estão localizados ao longo de todo o genoma, principalmente no cromossomo 11 e fazem parte de uma superfamília de genes que codifica uma grande variedade dos receptores acoplados à proteína G.
Meiose
Ocorre somente em células de linhagem germinativa e resulta na formação de células reprodutoras (gametas), cada qual possui somente 23 cromossomos. Assim, permite a manutenção do número de cromossomos da espécie.
Consiste em uma etapa de síntese de DNA seguida por duas etapas de segregação cromossômica e divisão celular.
Existem duas divisões meióticas sucessivas denominadas meiose I e meiose II.
Meiose I
Na meiose I (reducional) o número de cromossomos é reduzido à metade por meio do pareamento dos homólogos na prófase e pela sua segregação em células diferentes na anáfase da meiose I. Na meiose I também ocorre a recombinação genética (crossing over meiótico), em que segmentos homólogos de DNA são trocados entre cromátides não-irmãs de um par de cromossomos homólogos, assegurando que nenhum dos gametas produzidos pela meiose seja idêntico ao outro.
Prófase I: os cromossomos se condensam e se tornam mais curtos e espessos (eucromatina). Há crescimento das fibras do fuso, desaparecimento da carioteca e do nucléolo. É subdividida em Leptóteno (cromossomos visíveis), Zigóteno (alinhamento de cromossomos homólogos), Paquíteno (ocorrência do crossing over), Diplóteno (presença de quiasmas), Diacinese (condensação máxima dos cromossomos).
Obs: a menina nasce com suas células germinativas no diplóteno
Prometáfase I: fibras do fuso ligadas ao centrômero, sem estar no plano equatorial.
Metáfase I: desaparece a membrana nuclear e forma-se o fuso. Os cromossomos pareados se alinham no plano equatorial.
Anáfase I: há a disjunção (separação de cada bivalente, com os centrômeros sendo puxados para polos opostos da célula) permitidapelo encurtamento das fibras do fuso.
Telófase I: dois conjuntos de cromossomos estão agrupados nos polos opostos das células. Os cromossomos descondensam-se e há o reaparecimento da carioteca e do nucléolo.
Citocinese: a célula divide-se em duas células-filhas haploides e entra em uma breve intérfase meiótica (não existe fase S, ou seja, não há síntese de DNA entre a primeira e a segunda divisão meiótica).
Entre a meiose I e a meiose II há um intervalo para crescimento celular e produção de enzimas para a próxima divisão, chamado intercinese.
Meiose II
A meiose II (equacional) assemelha-se à mitose, pois as cromátides separam-se e uma cromátide de cada cromossomo passa para cada célula-filha. A principal diferença é que esse evento não é precedido por um ciclo de replicação do DNA.
Prófase II: desaparecimento da carioteca e do nucléolo. Início da condensação do cromossomo.
Prometáfase II: fibras do fuso ligadas ao centrômero, sem estar no plano equatorial.
Metáfase II: ligação bivalente dos fusos com os cinetócoros (proteínas localizadas no centrômero) de cada par de cromátides-irmãs. Cromossomos alinhados no plano equatorial.
Anáfase II: eliminação da coesão no centrômero. Encurtamento das fibras do fuso com separação das cromátides-irmãs.
Telófase II: Descondensação dos cromossomos, reaparecimento da carioteca e do nucléolo.
Estrutura cromossômica de procariotos e vírus
A maioria das bactérias e dos vírus possuem um único cromossomo e, em praticamente todos os casos, cada cromossomo contém apenas uma cópia de cada gene. Alguns poucos genes, como dos rRNAs, são repetidos várias vezes. As bactérias contêm muito mais DNA do que os vírus de DNA. 
Utilizam mecanismos distintos para compactar o material genético.
Vírus
Os vírus contêm informação genética menor que as células e seu genoma normalmente consiste em uma molécula única de RNA ou DNA. Os genomas de RNA são menores que os de DNA. O DNA de alguns vírus é de fita simples em vez de fita dupla.
Muitos DNAs virais são circulares. Durante a replicação viral, formas replicativas do DNA viral podem aparecer: DNAs lineares se tornam circulares e todos os DNAs de fita única se tornam fita dupla.
O genoma viral encontra-se dentro do capsídeo. O RNA se enrola de forma helicoidal dentro da capa protéica a partir do pareamento de regiões complementares presentes na molécula. Os capsídeos esféricos de vírus de DNA são montados antes da introdução do DNA. Quando o empacotamento do DNA se inicia, a concha se expande em tamanho mas permanece com o mesmo formato e, por último, a cabeça preenchida com o DNA é selada pela adição da cauda.
Em alguns DNAs virais, certas bases podem ser hidroximetiladas ou glicosiladas.
Procariotos
O cromossomo procarioto consiste em uma molécula única de DNA circular de fita dupla organizado no nucleoide. (Embora os procariotos mais estudados possuem cromossomo circular, várias outras células procarióticas possuem múltiplos cromossomos, cromossomos lineares, ou ambos).
Além disso, muitas bactérias contém plasmídeos, que são moléculas de DNA circulares livres no citoplasma, independentes do cromossomo. Alguns plasmídeos transportam genes que tornam uma bactéria hospedeira resistente a agentes antibacterianos.
Em procariotos, sequências de genes reguladores e estruturais são responsáveis por grande parte do DNA nos procariotos. Além disso, quase todo gene é colinear com a sequência de aminoácidos (ou sequência de RNA) que codifica.
Poucos genes procarióticos contém íntrons.
O DNA bacteriano possui uma estrutura terciária mais compacta que do DNA viral. Uma proteína dimérica do tipo histona chamada HU e a proteína chama H1 são capazes de condensar DNA. 
A molécula de DNA do cromossomo de Escherichia coli está organizada em cerca de 50 a 100 alças, sendo que cada uma delas é independentemente superespiralada.