O ácido desoxirribonucleico - DNA - serve como transportador de informações hereditárias transmitidas pelos organismos vivos às próximas gerações, e matriz para a construção de proteínas e diversos fatores reguladores exigidos pelo organismo nos processos de crescimento e vida. Neste artigo, vamos nos concentrar em quais são as formas mais comuns de estrutura do DNA. Também prestaremos atenção em como essas formas são construídas e em que forma o DNA reside dentro de uma célula viva.
Níveis de organização da molécula de DNA
Existem quatro níveis que determinam a estrutura e morfologia desta molécula gigante:
- O nível primário, ou estrutura, é a ordem dos nucleotídeos na cadeia.
- A estrutura secundária é a famosa "dupla hélice". É esta frase que se estabeleceu, embora na verdade tal estrutura se assemelhe a um parafuso.
- A estrutura terciária é formada devido ao fato de que fracas ligações de hidrogênio surgem entre seções individuais da fita torcida de DNA,dando à molécula uma conformação espacial complexa.
- A estrutura quaternária já é um complexo complexo de DNA com algumas proteínas e RNA. Nesta configuração, o DNA é empacotado em cromossomos no núcleo da célula.
Estrutura Primária: Componentes do DNA
Os blocos a partir dos quais a macromolécula de ácido desoxirribonucleico é construída são nucleotídeos, que são compostos, cada um dos quais inclui:
- base nitrogenada - adenina, guanina, timina ou citosina. Adenina e guanina pertencem ao grupo das bases purinas, citosina e timina pertencem à pirimidina;
- desoxirribose de monossacarídeo de cinco carbonos;
- Resíduo de ácido ortofosfórico.
Na formação de uma cadeia polinucleotídica, um papel importante é desempenhado pela ordem dos grupos formados por átomos de carbono em uma molécula circular de açúcar. O resíduo de fosfato no nucleotídeo está conectado ao grupo 5' (leia-se "cinco primos") da desoxirribose, ou seja, ao quinto átomo de carbono. A extensão da cadeia ocorre ligando um resíduo de fosfato do próximo nucleotídeo ao grupo 3' livre da desoxirribose.
Assim, a estrutura primária do DNA na forma de uma cadeia polinucleotídica tem extremidades 3' e 5'. Essa propriedade da molécula de DNA é chamada de polaridade: a síntese de uma cadeia só pode ocorrer em uma direção.
Formação da estrutura secundária
O próximo passo na organização estrutural do DNA é baseado no princípio da complementaridade das bases nitrogenadas - sua capacidade de se conectar em pares entre siatravés de ligações de hidrogênio. A complementaridade - correspondência mútua - ocorre porque adenina e timina formam uma ligação dupla, e guanina e citosina formam uma ligação tripla. Portanto, ao formar uma cadeia dupla, essas bases ficam opostas, formando os pares correspondentes.
Sequências de polinucleotídeos estão localizadas na estrutura secundária antiparalela. Então, se uma das cadeias se parecer com 3' - AGGZATAA - 5', o oposto ficará assim: 3' - TTATGTST - 5'.
Quando uma molécula de DNA é formada, a cadeia polinucleotídica duplicada é torcida, e a concentração de sais, a saturação de água e a estrutura da própria macromolécula determinam que formas o DNA pode assumir em uma determinada etapa estrutural. Várias dessas formas são conhecidas, denotadas pelas letras latinas A, B, C, D, E, Z.
As configurações C, D e E não são encontradas na vida selvagem e só foram observadas em condições de laboratório. Veremos as principais formas de DNA: os chamados canônicos A e B, bem como a configuração Z.
A-DNA é uma molécula seca
A-forma é um parafuso de mão direita com 11 pares de bases complementares em cada volta. Seu diâmetro é de 2,3 nm e o comprimento de uma volta da espiral é de 2,5 nm. Os planos formados pelas bases emparelhadas têm uma inclinação de 20° em relação ao eixo da molécula. Os nucleotídeos vizinhos são organizados de forma compacta em cadeias - há apenas 0,23 nm entre eles.
Esta forma de DNA ocorre com baixa hidratação e com aumento da concentração iônica de sódio e potássio. É típico paraprocessos em que o DNA forma um complexo com o RNA, uma vez que este não é capaz de assumir outras formas. Além disso, a forma A é altamente resistente à radiação ultravioleta. Nesta configuração, o ácido desoxirribonucleico é encontrado em esporos de fungos.
DNA B úmido
Com baixo teor de sal e alto grau de hidratação, ou seja, em condições fisiológicas normais, o DNA assume sua forma principal B. As moléculas naturais existem, via de regra, na forma B. É ela que sustenta o modelo clássico de Watson-Crick e é mais frequentemente retratada em ilustrações.
Esta forma (também é destro) é caracterizada pela colocação menos compacta de nucleotídeos (0,33 nm) e um passo de parafuso grande (3,3 nm). Uma volta contém 10,5 pares de bases, a rotação de cada um deles em relação ao anterior é de cerca de 36 °. Os planos dos pares são quase perpendiculares ao eixo da "dupla hélice". O diâmetro de tal cadeia dupla é menor que o da forma A - atinge apenas 2 nm.
Z-DNA não canônico
Ao contrário do DNA canônico, a molécula do tipo Z é um parafuso canhoto. É o mais fino de todos, com um diâmetro de apenas 1,8 nm. Suas bobinas, com 4,5 nm de comprimento, parecem alongadas; esta forma de DNA contém 12 bases pareadas por turno. A distância entre nucleotídeos adjacentes também é bastante grande - 0,38 nm. Assim, a forma Z tem a menor torção.
É formado a partir de uma configuração do tipo B nas áreas onde as purinase bases pirimídicas, com alteração do conteúdo de íons em solução. A formação do Z-DNA está associada à atividade biológica e é um processo de muito curto prazo. Essa forma é instável, o que dificulta o estudo de suas funções. Até agora, eles não estão exatamente claros.
Replicação do DNA e sua estrutura
Ambas as estruturas primárias e secundárias do DNA surgem durante um fenômeno chamado replicação - a formação de duas "duplas hélices" idênticas a partir da macromolécula-mãe. Durante a replicação, a molécula original se desenrola e as bases complementares se acumulam nas cadeias únicas liberadas. Como as metades do DNA são antiparalelas, esse processo ocorre sobre elas em diferentes direções: em relação às cadeias-mãe da extremidade 3' para a extremidade 5', ou seja, novas cadeias crescem na direção 5' → 3'. A fita líder é sintetizada continuamente em direção à forquilha de replicação; na fita atrasada, a síntese é realizada a partir do garfo em seções separadas (fragmentos de Okazaki), que são então costuradas por uma enzima especial, a DNA ligase.
Enquanto a síntese continua, as extremidades já formadas das moléculas filhas sofrem torção helicoidal. Então, antes que a replicação esteja completa, as moléculas recém-nascidas começam a formar uma estrutura terciária em um processo chamado superenrolamento.
Molécula Super Torcida
A forma superenrolada do DNA ocorre quando uma molécula de fita dupla faz uma torção extra. Pode ser no sentido horário (positivo) oucontra (neste caso, fala-se de superenrolamento negativo). O DNA da maioria dos organismos é superenrolado negativamente, ou seja, contra as principais voltas da “dupla hélice”.
Como resultado da formação de loops adicionais - supercoils - o DNA adquire uma configuração espacial complexa. Nas células eucarióticas, esse processo ocorre com a formação de complexos nos quais o DNA se enrola negativamente em torno de complexos proteicos de histonas e assume a forma de um fio com esferas de nucleossomos. As seções livres do thread são chamadas de linkers. Proteínas não histonas e compostos inorgânicos também participam da manutenção da forma superenrolada da molécula de DNA. É assim que a cromatina é formada - a substância dos cromossomos.
Fitas de cromatina com esferas nucleossômicas são capazes de complicar ainda mais a morfologia em um processo chamado condensação de cromatina.
Compactação final do DNA
No núcleo, a forma da macromolécula de ácido desoxirribonucleico torna-se extremamente complexa, compactando-se em várias etapas.
- Primeiro, o filamento é enrolado em uma estrutura especial do tipo solenóide - uma fibrila de cromatina com 30 nm de espessura. Nesse nível, o DNA se dobra e encurta seu comprimento em 6 a 10 vezes.
- Além disso, a fibrila forma alças em ziguezague com a ajuda de proteínas de andaime específicas, o que reduz o tamanho linear do DNA já em 20-30 vezes.
- Domínios de loop densamente empacotados são formados no próximo nível, na maioria das vezes tendo uma forma convencionalmente chamada de “pincel de lâmpada”. Eles se ligam à proteína intranuclearmatriz. A espessura dessas estruturas já é de 700 nm, enquanto o DNA é encurtado em aproximadamente 200 vezes.
- O último nível de organização morfológica é cromossômico. Os domínios de loop são compactados de tal forma que um encurtamento total de 10.000 vezes é alcançado. Se o comprimento da molécula esticada for de cerca de 5 cm, depois de compactada em cromossomos, ela diminui para 5 mícrons.
O nível mais alto de complicação da forma de DNA atinge no estado de metáfase da mitose. É então que adquire uma aparência característica - duas cromátides conectadas por um centrômero de constrição, o que garante a divergência das cromátides no processo de divisão. O DNA interfásico é organizado até o nível de domínio e é distribuído no núcleo da célula em nenhuma ordem particular. Assim, vemos que a morfologia do DNA está intimamente relacionada às várias fases de sua existência e reflete as características do funcionamento dessa molécula mais importante para a vida.
