DNA
Ácidos nucleicos e nucleótidos
O DNA é um exemplo de ácido nucleico, uma macromolécula orgânica formada por longas cadeias de nucleótidos, responsável por armazenar e transmitir a informação genética. Existem dois tipos de ácidos nucleicos: o DNA e o RNA.
Ácido nucleico. Macromolécula orgânica formada por longas cadeias de nucleótidos, responsável por armazenar e transmitir a informação genética.
Um ácido nucleico é um polímero: a unidade repetida é o nucleótido, e é a sequência desses nucleótidos ao longo da cadeia que constitui a informação genética propriamente dita, tal como a sequência de letras constitui uma palavra.
Nucleótido. Unidade estrutural dos ácidos nucleicos, composta por uma pentose, um grupo fosfato e uma base nitrogenada.
Os três componentes ligam-se sempre pela mesma lógica: a base nitrogenada liga-se à pentose, e o grupo fosfato liga-se à pentose do nucleótido seguinte, formando a cadeia. Quando falta o grupo fosfato, a molécula (pentose + base) chama-se nucleósido — uma distinção que costuma ser fonte comum de confusão.
Bases nitrogenadas
O componente do nucleótido responsável pela informação genética é a base nitrogenada. Estas dividem-se em dois grupos:
- Purinas — adenina e guanina, com anel duplo.
- Pirimidinas — citosina, timina e uracilo, com anel simples.
É a diversidade das bases nitrogenadas, e não da pentose ou do fosfato (que são sempre os mesmos numa dada molécula), que dá ao DNA a capacidade de codificar informação — como quatro letras que se repetem em sequências diferentes.
DNA e RNA: diferenças
O DNA distingue-se do RNA em quatro aspetos:
| Característica | DNA | RNA |
|---|---|---|
| Pentose | Desoxirribose | Ribose |
| Base exclusiva | Timina | Uracilo |
| Número de cadeias | Dupla | Simples |
| Função | Armazenamento da informação genética | Execução da informação genética |
As quatro diferenças estão ligadas: a ausência de um grupo hidroxilo na desoxirribose torna o DNA quimicamente mais estável, o que é coerente com a sua função de arquivo permanente da informação; o RNA, de cadeia simples e menos estável, é feito para ser lido e depois descartado.
Complementaridade de bases
Nas duas cadeias do DNA, a adenina emparelha sempre com a timina (duas pontes de hidrogénio) e a guanina com a citosina (três pontes de hidrogénio).
Lei de Chargaff. Nas duas cadeias do DNA, a quantidade de adenina iguala a de timina, e a quantidade de guanina iguala a de citosina, por estas bases emparelharem sempre entre si.
Esta regra empírica precedeu e apoiou o modelo estrutural de Watson e Crick — foi uma das pistas que levou à ideia do emparelhamento específico. É esta complementaridade, mais do que qualquer outra propriedade, que torna a replicação possível: cada cadeia contém, implicitamente, a informação para reconstruir a outra.
Por exemplo, se uma amostra de DNA tem 30% de adenina, tem também 30% de timina e 20% cada de guanina e citosina.
Estrutura da dupla hélice
O DNA é formado por duas cadeias polinucleotídicas antiparalelas, enroladas uma sobre a outra em forma de hélice, unidas por pontes de hidrogénio entre bases complementares, com o esqueleto de açúcar-fosfato no exterior e as bases no interior.
'Antiparalelas' significa que as duas cadeias correm em sentidos opostos (uma 5'→3', a outra 3'→5') — não é um detalhe decorativo, é o que torna necessário que a replicação trate as duas cadeias de forma diferente. O modelo foi proposto por Watson e Crick em 1953, com base em dados de difração de raios X obtidos por Rosalind Franklin e Maurice Wilkins.
Organização do DNA: genoma, cromatina e cromossoma
O conjunto de todo o DNA de uma célula é o genoma. Nas células eucarióticas, o DNA associa-se a proteínas (histonas) formando cromatina, que se condensa em cromossomas visíveis durante a divisão celular.
Cromossoma. Forma condensada e organizada do DNA, associado a proteínas, visível durante a divisão celular.
O cromossoma não é uma molécula diferente do DNA, mas o mesmo DNA extremamente compactado — perceber isto evita a confusão comum entre os dois termos. Antes da fase S, cada cromossoma tem uma cromátide; depois, tem dois cromatídeos idênticos unidos pelo centrómero.
Replicação do DNA
A replicação do DNA é o processo pelo qual uma molécula de DNA origina duas moléculas idênticas entre si e idênticas à molécula original, cada uma constituída por uma cadeia da molécula original e uma cadeia recém-sintetizada.
É o processo que garante que, quando uma célula se divide, cada célula-filha recebe uma cópia completa e fiel da informação genética. Acontece antes da divisão celular, na fase S do ciclo celular, nunca durante ou depois dela.
Modelo semiconservativo
Modelo semiconservativo. Modelo segundo o qual, na replicação do DNA, as duas cadeias da molécula original separam-se e cada uma serve de molde para a síntese de uma nova cadeia complementar; cada molécula-filha resulta, assim, híbrida — uma cadeia antiga e uma cadeia nova.
Antes de este modelo ser confirmado experimentalmente, havia três hipóteses concorrentes:
- Conservativa — a molécula original manter-se-ia intacta e seria sintetizada uma molécula inteiramente nova.
- Semiconservativa — a que se confirmou.
- Dispersiva — as moléculas-filhas seriam um mosaico de segmentos antigos e novos.
Experiência de Meselson e Stahl
A experiência de Meselson e Stahl (1958) demonstrou o carácter semiconservativo da replicação do DNA, usando bactérias E. coli marcadas com isótopos de azoto (¹⁵N pesado e ¹⁴N normal) e centrifugação em gradiente de densidade de cloreto de césio.
As bactérias foram cultivadas várias gerações em ¹⁵N (marcando todo o seu DNA), depois transferidas para meio com ¹⁴N. Após uma geração, todo o DNA tinha densidade intermédia — o resultado que o modelo conservativo não previa (que daria duas bandas separadas) mas que o semiconservativo previa exatamente. Após duas gerações, apareciam duas bandas, uma intermédia e uma leve, também consistente apenas com o modelo semiconservativo.
Enzimas da replicação
A hélicase separa as duas cadeias da dupla hélice, quebrando as pontes de hidrogénio; cada cadeia separada passa a servir de cadeia molde. A DNA polimerase lê essa cadeia molde e sintetiza a cadeia complementar correspondente, adicionando nucleótidos segundo a regra de complementaridade de bases.
'Cadeia molde' e 'cadeia complementar' são os dois termos-chave deste processo: a cadeia molde é a cadeia original, já existente, que serve de referência; a cadeia complementar é a cadeia nova, sintetizada de raiz pela DNA polimerase a partir dessa referência. Cada uma das duas cadeias da dupla hélice original serve de molde a uma nova cadeia complementar — é assim que se obtêm as duas moléculas-filhas do modelo semiconservativo.
Cadeia líder, cadeia atrasada e fragmentos de Okazaki
Por as duas cadeias do DNA serem antiparalelas e a DNA polimerase sintetizar sempre no sentido 5'→3', uma cadeia nova é sintetizada de forma diferente da outra:
- Cadeia líder — sintetizada de forma contínua, num único troço.
- Cadeia atrasada — sintetizada de forma descontínua, em fragmentos de Okazaki, unidos depois pela DNA ligase.
Esta diferença é consequência direta do antiparalelismo da dupla hélice: como a DNA polimerase só trabalha num sentido, e as duas cadeias-molde correm em sentidos opostos, uma das cadeias novas tem de ser construída aos bocados.
Interfase e fase S
A interfase é o período do ciclo celular entre duas divisões consecutivas, subdividido em três períodos: G1 (pós-mitótico), S (síntese de DNA) e G2 (pré-mitótico). É normalmente o período mais longo do ciclo, ocupando cerca de 90% do tempo total.
O nome 'interfase' sugere historicamente um período de repouso, mas é precisamente o oposto: é quando a célula cresce, duplica organelos e, sobretudo, replica todo o seu DNA.
A fase S é o período da interfase durante o qual ocorre a replicação do DNA. No seu final, cada cromossoma passa a ser constituído por dois cromatídeos idênticos, unidos pelo centrómero. É importante distinguir: o número de cromossomas não muda na fase S — o que duplica é o número de cromatídeos por cromossoma.
Crescimento, renovação e replicação
A replicação fiel do DNA garante que todas as células de um organismo, geradas por divisões sucessivas a partir do zigoto ou de células estaminais, possuem a mesma informação genética. Esta é a condição necessária tanto para o crescimento (aumento do número de células) como para a renovação de tecidos (substituição de células perdidas ou danificadas).
Um organismo cresce porque as suas células se multiplicam por mitose, e tecidos como a pele, o sangue ou o epitélio intestinal renovam-se continuamente pela mesma via. Em ambos os casos, cada nova célula só é geneticamente idêntica às restantes porque a molécula que a originou foi replicada com exatidão.