22 de outubro de 2009 15:59 

DNA

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 responsáveis por carregar a informação genética são denominados genes. O restante da seqüência 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 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, 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 seqüência dessas bases ao longo da molécula de ADN que carrega a informação genética. A leitura destas seqüências é feita através do código genético, o qual especifica a sequência linear dos aminoácidos das proteínas. A tradução é feita a partir de 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 pelo ribossomo. 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.

　

História

Descoberta

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 idéias 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 30 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 se concentrava 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 demostrou 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.[1][2]

　

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 nucleico 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 umaunidade
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 deoxigênio 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 desoxirribonucleico, ou DNA, cujo açúcar é a desoxirribose.

　

Descoberta da transformação

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

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]

　

Experimento de Hershey-Chase

Os experimentos feitos por Avery e seus colegas foram definitivos, mas muitos cientistas mostraram-se muito relutantes em aceitar o DNA (e não as proteínas) como material genético. Evidências adicionais foram dadas em 1952 por Alfred Day Hershey e Martha Chase. O experimento de ambos usou o fago T2, um vírus que infecta na bactéria a informação específica que dita a reprodução de novas partículas virais. Se eles pudessem descobrir que material o fago estava injetando na bactéria hospedeira, determinariam o material genético do fago.

O fago tem uma constituição molecular relativamente simples. A maior parte de sua estrutura é de proteína, com o DNA contido dentro da capa de proteína de sua "cabeça". Hershey e Chase decidiram marcar o DNA e a proteína usando
radioisótopos, de modo que pudessem rastrear os dois materiais durante a infecção. O fósforo não é encontrado nas proteínas mas é uma parte integrante do DNA. Contrariamente, o enxofre está presente nas proteínas mas nunca no DNA. Hershey e Chase incorporaram o radioisótopo de fósforo (32P) no DNA do fago e o enxofre (35S) nas proteínas de uma cultura separada de fagos. Eles então infectaram duas culturas de E. coli com muitas partículas de vírus por células: uma cultura de E. coli recebeu fagos marcados com 32P e a outra recebeu fagos marcados com 35S. Após dar tempo suficiente para que ocorresse a infecção, os cientistas removeram as embalagens de fago (chamadas ghosts) das células bacterianas por agitação em um liquidificador. Eles separaram as células bacterianas dos envoltórios dos fagos em uma centrífuga e então dosaram a
radioatividade nas duas frações. Quando o fago marcado com 32P foi usado para infectar E. coli, a maioria da radioatividade foi encontrada dentro das bactérias, indicando que o DNA do fago havia entrado nas células. Quando era usado o fago marcado com 35S, maior parte do material radioativo estava nas capas dos fagos, indicando que a proteína do fago nunca entrava nas bactérias. A conclusão era inevitável: o DNA era o material hereditário. As proteínas do fago eram apenas embalagens estruturais abandonadas após o DNA viral entrar na bactéria.

　

Propriedades físicas e químicas

O ADN é um longo polímero formado por unidades repetidas chamadas

nucleotídeos. [5][6] A cadeia de ADN tem 2,2 a 2,4 nanómetros de largura, e um
nucleotídeo possui aproximadamente 0,33 nanómetros de comprimento .[7] Embora os
monômeros (nucleotídeos) que constituem o ADN sejam muito pequenos, 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. [8]

Em organismos vivos, o ADN não existe como uma molécula única (cadeia
simples), mas sim como um par de moléculas firmemente associadas. [9][10] 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 através de ligações 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. [11]

O cerne (backbone) da cadeia de ADN é formado por fosfato e resíduos de
açúcar, dispostos alternadamente. O açúcar no ADN é 2-desoxirribose, e é uma
pentose (açúcar com cinco carbonos). Os açúcares são unidos por grupos de

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.

A dupla hélice do ADN é estabilizada por ligações 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 estão
representadas na figura ao lado e ligam-se ao açúcar/fosfato para formar o
nucleotídeo completo, que na figura é mostrado como adenosina monofosfato.

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. Uma raríssima exceção para esta
regra é um vírus bacteriano chamado PBS1 que contém uracila no seu ADN. Em
contraste, após a síntese de certas moléculas de ARN, um número significante de
uracilas são convertidas a timinas pela adição enzimática do grupo de metila.
Isto acontece principalmente em RNAs estruturais e enzimáticos como o ARN
mensageiro e o ARN ribossomal.

A dupla hélice é uma espiral dextra. Como as cadeias de ADN giram uma ao
redor da outra, elas deixam espaços entre cada cerne de fosfato, revelando os
sítios das bases que estão localizadas na parte interna. Há dois destes espaços

ao redor da superfície da dupla hélice: um espaço é maior e possui 22 Å de
largura e o outro, o espaço é menor com 12 Å de largura. Proteínas como fatores
de transcrição podem ligar-se a sequências específicas do ADN de dupla cadeia,
normalmente estabelecendo contato com os sítios das bases expostos no espaço
maior.

　

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 ligações 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 base. Além das ligações de hidrogênio entre as bases, as
duas fitas são mantidas juntas devido a forças geradas por interações
hidrofóbicas entre as bases empilhadas, a qual não é influenciada pela sequência
do DNA. [12] Como as ligações de hidrogênio não são ligações covalentes, podem
ser quebradas e reunidas com relativa facilidade. Desta forma, as duas fitas da
dupla hélice de DNA podem ser separadas como um "zíper" (fecho) por força

mecânica ou altas temperaturas.[13] Como resultado desta complementariedade,
toda a informação contida numa das cadeias de DNA está também contida na outra,
o que é fundamental para a replicação do DNA. [5]

Os dois tipos de pares de base formam diferentes números de ligações de
hidrogênio: AT forma duas ligações de hidrogênio enquanto que GC formam três
ligações de hidrogênio. Desta forma a interação entre GC é mais forte que AT.
Como resultado, a percentagem de GC numa dupla fita de DNA determina a força de
interação entre as duas cadeias. [14] Uma parte da dupla cadeia de DNA que
precisa de ser separada facilmente, tal como a TATAAT Caixa de Pribnow nos

promotores bacterianos, tendem a ter as 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 ligações 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 DNA de cadeia
simples não têm uma única forma comum, mas algumas conformações são mais
estáveis do que outras.[15]

　

Fenda maior e menor

O DNA normalmente encontra-se em forma de uma espiral. Portanto, as fitas de
DNA giram uma sobre a outra e acabam por formar fendas entre os cernes de
fosfatos, deixando expostas as faces das bases nitrogenadas que não estão unidas
por ligações de hidrogênio com a base complementar.

Há dois tipos de fendas na superfície da dupla hélice: uma com 22 Å
denominada fenda maior e uma com 12 Å designada de fenda menor.[16] A principal
função das “fendas” do DNA é fornecer a informação acerca das bases que se

encontram ligadas numa determinada região da dupla cadeia sem a necessidade de a
abrir. Como é de esperar, a fenda maior oferece uma maior acessibilidade de
ligação com proteínas do que a fenda menor, mas isso não quer dizer que a fenda
menor não possa interagir com proteínas. Um exemplo disto é a TBP (TATA-binding
protein) uma importante proteína para a transcrição em eucariotas.[17]

　

Senso e anti-senso

Uma sequência de DNA é chamada de senso se possui a mesma sequência do RNAm.
A cadeia oposta (complementar) à cadeia "senso" é denominada sequência

anti-senso. Como a RNA polimerase sintetiza um RNA que é complementar à fita
molde, então podemos dizer que ela utiliza a cadeia anti-senso como molde para
produzir um RNA. As sequências senso e anti-senso podem existir em diferentes
partes da mesma cadeia de DNA, 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 anti-senso. Isto
acontece devido à existência de genes que se sobrepõem, e neste caso ambas as
cadeias dão origem a um RNA. [18] Nas bactérias, a sobreposição pode estar
envolvida da regulação da transcrição. [19] Já nos vírus, a sobreposição aumenta

a capacidade do armazenamento de informações em pequenos genomas virais. [20]

　

Supercoiling (super-helicoidização)

O DNA pode ser torcido num processo denominado super-helicoidização. No
estado relaxado do DNA, uma fita normalmente dá uma volta completa ao eixo da
dupla hélice a cada 10,4 pares de base, mas se o DNA está torcido, as cadeias
ficam mais ou menos enroladas. [21] Se o DNA está torcido na direção da hélice,
é denominado um supercoiling positivo e as bases estão unidas mais firmemente.
Já o supercoiling negativo refere-se a uma torção na direção oposta resultanto

num afrouxamento das bases. Na natureza, o DNA apresenta um ligeiro supercoiling
negativo que é causado pela ação de uma enzima denominada topoisomerase. [22]
Estas enzimas também são necessárias para aliviar o estresse de torção causado
no DNA durante os processos de transcrição e replicação. [23]

　

Estrutura alternativa da dupla hélice

O DNA pode existir em muitas formações diferentes. As formações mais comuns
são: DNA-A, DNA-B, DNA-C, DNA-D, [24] DNA-E,[25] DNA-H,[26] DNA-L,[24]
DNA-P,[27] e DNA-Z.[28] Porém, só as formações de DNA A, B e Z foram encontradas

em sistemas biológicos naturais. A formação que o DNA adopta depende de vários
fatores da própria sequência de DNA: a intensidade e direção do supercoiling,
modificações químicas das bases e a solução na qual o DNA está presente (ex.:
concentração de metais, iões e poliaminas). [29] Das três formações referidas, a
forma “B” é a mais comum nas condições encontradas nas células. [30]

A forma “A” corresponde à espiral dextra mais larga, com uma fenda menor
larga e superficial e uma fenda maior estreita e profunda. A forma “A” ocorre
sob condições não fisiológicas em amostras de DNA desidratadas, enquanto na
célula pode ser produzida por pareamento híbrido de DNA e RNA ou pelo complexo

enzima-DNA. [31][32] Em segmentos de DNA onde as bases foram quimicamente
modificadas por metilação, o DNA pode sofrer uma grande modificação na sua
formação e adoptar a forma DNA-Z. Aqui, a cadeia gira sobre o eixo da dupla
hélice para a esquerda, o oposto da forma mais comum – DNA-B. [33] Esta
estrutura é rara e pode ser reconhecida por proteínas especificas de ligação com
o DNA-Z e podem estar envolvidas na regulação da transcrição. [34]

　

Estruturas em quadruplex

Nas extremidades do cromossomas lineares estão zonas especializadas do DNA

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 DNA normalmente não conseguem copiar as
extremidades 3' dos cromossomas.[36] Estas tampas de cromossoma especializadas
também ajudam a proteger as extremidades do DNA, e evitam que o sistema de
reparo de DNA da célula as trate como danos que precisassem de ser
corrigidos.[37] Em células humanas, os telómeros tem normalmente vários milhares
de repetições de uma sequência simples (TTAGGG).[38]

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 DNA. Aqui, quatro
bases de guanina formam uma placa chata e depois estas unidade chatas de quatro
bases empilham-se no topo umas das outras, para formarem estruturas G-quadruplex
estáveis.[39] Estas estruturas são estabilizadas por ligações de hidrogénio
entre as margens das bases e por quelação de um ião metálico no centro de cada
unidade de quatro-bases.[40] Outras estruturas podem também ser formadas, com o
conjunto central de quatro bases a vir quer de uma cadeia simples enrolada à

volta das bases ou de diversas cadeias paralelas, cada uma contribuindo com uma
base para a estrutura central.

Além destas estruturas empilhadas, os telómeros também forma grandes
estruturas em forma de laço chamados telomere loops ou T-loops. Aqui, a DNA de
cadeia simples enrola-se à volta de um círculo grande estabilizado por proteínas
que se ligam a telómeros.[41] Mesmo no fim dos T-loops, o DNA de cadeia simples
do telómero é segurado sobre uma região de DNA de cadeia dupla pela cadeia do
telómero que desestabiliza o DNA de dupla hélica e o emparelhamento de bases de
uma das duas cadeias. Esta estrutura de cadeia tripla é chamada de laço de

deslocamento ou D-loop.[39]

　

Modificações químicas

Modificações de bases

A expressão de genes é influenciado pela maneira que o DNA está arrumado nos
cromossomas, numa estrutura chamada cromatina. As modificações de bases podem
estar envolvidas na arrumação, com as regiões quem tem expressão génica baixa ou
inexistente contendo usualmente níveis elevados de metilação das bases de
citosina. Por exemplo, a metilação de citosina produz 5-metilcitosina, que é

importante na inactivação do cromossoma X.[42] O nível médio de metilação varia
entre organismos – o verme Caenorhabditis elegans tem pouca metilação da
citosina, enquanto que vertebrados têm níveis mais elevados, com até 1% do seu
DNA contendo 5-metilcitosina[43] Apesar da importância da 5-metilcitosina, esta
pode desaminar transformando-se em timina. Citosinas metiladas são por isso
especialmente susceptíveis de sofrer mutações.[44] Outras modificações de bases
incluem metilação de adeninas em bactérias e glicolisação do uracilo para
produzir a "base-J" em organismos da classe Kinetoplastea.[45][46]

　

Danificação do DNA

O DNA pode ser danificado por muitos tipos diferentes de mutagéneos, que
mudam a sequência de DNA. Mutagénios incluem agentes oxidantes, agentes
alquilantes e também por radiação electromagnética de grande energia tal como
luz ultravioleta e raios-X. O tipo de danificação de DNA produzido depende do
tipo de mutagénio. A luz ultravioleta, por exemplo, pode danificar o DNA
produzindo dímeros de timina, que são ligações cruzadas entre pirimidinas.[48]
Por outro lado, oxidantes como radicais livres ou peróxido de hidrogénio

produzem múltiplos tipos de danos, incluindo modificações de bases, em
particular guanosina, e quebras das cadeias duplas.[49] Em cada célula humana,
cerca de 500 bases sofrer danos por oxidação por dia.[50][51] De entre estas
lesões oxidativas, a mais perigos são as quebras da cadeia dupla, pois estas são
difíceis de reparar e podem produzir mutações pontuais, inserções e delecções,
assim como translocações cromossómicas.[52]

Muitos mutagénios encaixam entre o espaço entre dois pares de base
adjacentes, a chamada intercalação. A maioria dos intercaladores são aromáticos
e moléculas planas e incluem brometo de etídio, daunomicina, doxorrubicina e

talidomida. Para que um intercalador encaixe entre pares de bases, as bases tem
de se separar, distorcendo as cadeias de DNA, desenrolando a cadeia dupla. Isto
inibe quer a transcrição como a replicação do DNA, causando toxicidade e
mutações. Como resultado, os intercaladores de DNA são muitas vezes
carcinogénicos. Benzopireno, acridinas, aflatoxina e brometo de etídio são
exemplos bem conhecidos.[53][54][55] No entanto, devido à sua capacidade de
inibir a transcrição e replicação, estas toxinas também são usadas em
quimioterapia para inibir células de cancro com crescimento rápido.[56]

　

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.[57] 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.

　

Genes e genomas

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.[59] 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).[60] 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.[61]

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.[37][63] 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.[65]

　

Transcrição e tradução

Um gene é uma sequência de DNA que contêm informação genética e pode
influenciar o fenótipo de um organismo. Dentro de um gene, a sequência de bases
ao longo de uma cadeia de DNA definem uma cadeia de RNA mensageiro, que por sua
vez define uma ou mais sequências proteicas. A relação entre a sequência de
nucleótidos de um gene e a sequência de aminoácidos de uma proteína é

determinada pelas regras de tradução, conhecidas colectivamente como o código
genético. O código genético consiste de 'palavras' de três letras chamadas
codões formadas por uma sequência de três nucleótidos (p.e. ACU, CAG, UUU).

Na transcrição, os codões de um gene são copiados para um RNA mensageiro pela
RNA polimerase. Esta cópia de RNA é depois descodificada por uma ribossoma que
lê a sequência de RNA emparelhando o RNA mensageiro a RNA de transferência, que
carrega aminoácidos. Uma vez que há quatro bases em combinações de 3-letras, há

64 codões possíveis (43 combinações). Estas codificam os vinte aminoácidos,
dando à maioria dos aminoácidos mais do que um codão possível. Há também três
codões 'stop' ou 'nonsense' significando o fim da região codificante; estes são
os codões UAA, UGA e UAG.

Replicação de DNA. A dupla hélice é desdobrada por uma helicase e por uma
topoisomerase. Em seguida, uma DNA polimerase produz uma cópia da cadeia líder.

Outra DNA polimerase liga-se à cadeia atrasada. Esta enzima produz segmentos
descontínuos (chamados fragmentos de Okazaki) antes que a DNA ligase os juntar.

　

Replicação

A divisão celular é essencial para que um organismo cresça, mas quando uma
célula se divide tem de replicar o DNA do seu genoma para que as duas
células-filha tenham a mesma informação genética que a célula parental. A
estrutura em dupla-hélice do DNA fornece um mecanismo simples para a sua
replicação. As duas cadeias são separadas e depois sequências de DNA,

complementares a cada uma das cadeias são recreadas por uma enzima chamada DNA
polimerase. Esta enzima constrói a cadeia complementar encontrando a base
correcta através de emparelhamento com a base complementar, e ligando-a à cadeia
original. Como as polimerases de DNA só conseguem fazer a extensão de uma cadeia
de DNA na direcção 5' para 3', outros mecanismos são usados para copiar a cadeia
antiparalela da dupla hélice.[66] Desta forma, a base presente na cadeia antiga
dita que base vai aparecer na nova cadeia e a célula acaba com uma cópia

perfeita do seu DNA.

　

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)

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.[67][68] 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.[69] Modificações químicas nestes resíduos
de amino-ácidos inclui metilação, fosforilação e acetilação.[70] 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.[71] Outras proteínas com ligação a DNA não-específicas incluem o
grupo de proteínas de alta mobilidade, que se ligam a DNA dobrado ou
distorcido.[72] Estas proteínas são importantes pois dobram conjuntos de
nucleossomas e organizam-nos em estruturas maiores que perfazem os

cromossomas.[73]

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.[74]
Estas proteínas parecem estabilizar DNA de cadeia dupla e protegem-no da
formação de hairpin loops ou de ser degradado por nucleases.

O factor de transcrição do hélice-volta-hélice lambda repressor ligado ao seu
alvo de DNA.[75]

Em contraste, outras proteínas evoluiram de modo a ligar-se a sequências de
DNA específicas. Os factores de transcrição são dos mais intensivamente
estudados, que são proteínas que regulam a transcrição. Cada factor de
transcrição liga-se a um conjunto particular de sequências de DNA e activa ou
inibe a transcrição de genes que tenham estas sequências perto dos seus
promotores. Os factores de transcrição fazem isto de duas maneiras. Primeiro,
podem ligar-se à polimerase do RNA responsável pela transcrição, quer
directamente quer através de proteínas mediadoras; isto posiciona a polimerase
no promotor e permite que comece a transcrição.[76] Em alternativa, os factores

de transcrição podem ligar-se a enzimas que modificam as histonas no promotor;
isto muda a acessibilidade do molde de DNA à polimerase.[77]

Como estes locais de ligação podem ocorrer pelo genoma inteiro de um
organismo, mudanças na actividade de um tipo de factor de transcrição pode
afectar milhares de genes.[78] Por consequência, estas proteínas são muitas
vezes alvo de processos de transdução de sinal que controlam respostas a
mudanças ambientais ou diferenciação e desenvolvimento celular. A especificidade
da interacção destes factores de transcrição com o DNA provem das proteínas que
fazem contactos múltiplos com a beira das bases de DNA, permitindo a "leitura"

da sequência de DNA, A maior parte destas interacções com bases fazem-se na
fenda maior, onde as bases estão mais acessíveis.[79]

　

Enzimas que modificam o ADN

Nucleases e ligases

As nucleases são enzimas que cortam as cadeias de ADN mediante a catálise da
hidrólise das ligações fosfodiéster. As nucleases que hidrolizam nucleótidos
apartir dos extremos das cadeias de ADN denominam-se exonucleases, enquanto que
as endonucleases cortam no interior das cadeias. As nucleases que se utilizam

com maior frequência em biologia molecular são as enzimas de restrição,
endonucleases que cortam o ADN em sequências específicas. Por exemplo, a enzima
EcoRV, mostrada à esquerda, reconhece a sequência de 6 bases 5′-GAT|ATC-3′ e faz
um corte em ambas as cadeias na linha vertical indicada, gerando duas moléculas
de ADN. Outras enzimas de restrição geram, no entanto, extremidades coesivas, já
que cortam de forma diferente as duas cadeias de ADN. Na natureza, estas enzimas
protegem as bactérias contra as infecções de fagos, ao digerir o ADN do fago

quando entra através da parede bacteriana, actuando como um mecanismo de
defesa.[81] Em biotecnologia, estas nucleases específicas utilizam-se na
clonagem molecular e na técnica de impressão de ADN (DNA fingerprinting, em
inglês).

As enzimas denominadas DNA ligases podem reunir pedaços de ADN cortados ou
quebrados.[82] As ligases são particularmente importantes na replicação do ADN
da cadeia atrasada de ADN, já que unem os fragmentos curtos de ADN generados no
garfo de replicação para formar uma copia completa do molde de ADN. Também se
utilizam no reparo de ADN e na recombinação genética.[82]

　

Topoisomerases e helicases

As topoisomerases são enzimas que possuem a actividade nuclease e ligase.
Estas proteínas mudam a quantidade de ADN superenrolado. Algumas destas enzimas
funcionam cortando a hélice de ADN e permitindo a uma secção que faça rotação,
de maneira a reduzir o grau de superenrolamento; uma vez feito isto, a enzima
volta a unir os fragmentos de ADN.[22] Otros tipos de enzimas são capazes de
cortar uma hélice de ADN e depois passar a segunda cadeia de ADN através desta
quebra, antes de reunir as hélices.[83] As topoisomerases são necessárias para

muitos processos em que intervém o ADN, como a replicação do ADN e a
transcrição.[23]

As helicases são proteínas que pertencem ao grupo dos motores moleculares.
Utilizam energia química armazenada nos trifosfatos de nucleósidos,
fundamentalmente ATP, para romper ligações de hidrógeno entre bases e separar a
dupla hélice de ADN em cadeias simples.[84] Estas enzimas são essenciais para a
maioria dos processos em que as enzimas necessitam de aceder às bases do ADN.

　

Polimerases

As polimerases são enzimas que sintetizam cadeias de nucleótidos a partir de
trifosfatos de nucleósidos. A sequência de seus produtos são cópias de cadeias
de polinucleótidos existentes, que se denominam moldes. Estas enzimas funcionam
adicionando nucleótidos ao grupo hidróxilo em 3' do nucleótido anterior numa
cadeia de ADN. Por consequência, todas as polimerasas funcionam na direcção 5′
–> 3′.[85] Nos sítios activos destas enzimas, o trifosfato de nucleósido que se

incorpora emparelha a sua base com a correspondente no molde: isto permite que a
polimerase sintetize de forma precisa a cadeia complementar ao molde.

As polimerases clasificam-se de acordo com o tipo de molde que utilizam:

* Na replicação do ADN, uma ADN polimerase dependente de ADN realiza uma
cópia de ADN a partir de uma sequência de ADN. A precisão é vital neste
processo, por isso muitas destas polimerases possuem uma actividade de
verificação de leitura (proofreading). Mediante esta actividade, a polimerase
reconhece erros ocasionais na reacção de síntese, devido à falta de
emparelhamento entre o nucleótido erróneo e o molde, o que gera um

desacoplamento (mismatch). Se se detecta um desacoplamento, activa-se uma
actividade exonuclease na direcção 3′ –> 5′ e a base incorrecta é
eliminada.[86] Na maioria dos organismos, as ADN polimerases funcionam num
grande complexo denominado replissoma, que contém múltiplas unidades acessórias,
como helicases.[87]

* As ADN polimerases dependentes de ARN são uma classe especializada de

polimerases que copiam a sequência de uma cadeia de ARN em ADN. Incluem a
transcriptase reversa, que é uma enzima viral implicada na infecção de células
por retrovírus, e a telomerase, que é necessária para a replicação dos telómeros.[36][88]
A telomerase é uma polimerase inusual, porque contém o seu próprio molde de ARN
como parte da sua estrutura.[37]

* A transcrição é levada a cabo por uma ARN polimerase dependente de ADN que
copia a sequência de uma das cadeias de ADN em ARN. Para começar a transcrever
um gene, a ARN polimerase une-se a uma sequência do ADN denominada promotor, e
separa as cadeias de ADN. Então copia a sequência do gene num transcrito de ARN

mensageiro até que alcança uma região do ADN denomimada terminador, onde se
detém e se separa do ADN. Como ocorre com as ADN polimerases dependentes de ADN
em humanos, a ARN polimerase II (a enzima que transcreve a maioria dos genes do
genoma humano) funciona como um grande complexo multiproteíco que contém
múltiplas subunidades reguladoras e accessórias.[89]

　

Recombinação genética

Uma hélice de ADN normalmente não interage com outros segmentos de ADN, e nas
células humanas os diferentes cromossomas ocupam áreas separadas no núcleo

celular denominadas “territórios cromossómicos”.[91] A separação física dos
diferentes cromossomas é importante para que o ADN mantenha a sua capacidade de
funcionar como um armazém estável de informação. Um dos poucos momentos em que
os cromossomas interagem é durante o sobrecruzamento cromossómico (chromosomal
crossover, em inglês), durante o qual se recombinam. O sobrecruzamento
cromossómico ocorre quando duas hélices de ADN se rompem, sofrem intercâmbio e
se unem novamente.

A recombinação permite aos cromossomas trocar informação genética e produzir
novas combinações de genes, o que aumenta a eficiência da selecção natural e

pode ser importante na evolução rápida de novas proteínas.[92] Durante a profase
I da meiose, uma vez que os cromossomas homólogos estão perfeitamente
emparelhados formando estruturas que se denominam bivalentes, produz-se o
fenómeno de sobrecruzamento ou entrecruzamento (crossing-over), no qual os
cromatídeos homólogas não irmãos (procedentes do pai e da mãe) trocam material
genético. A recombinação genética resultante faz aumentar em grande medida a
variação genética entre a descendência de progenitores que se reproduzem por via
sexual. A recombinação genética também pode estar implicada na reparação do ADN,
em particular na resposta celular às roturas da dupla cadeia (double-strand

breaks).[93]

A forma mais frequente de sobrecruzamento cromossómico é a recombinação
homóloga, na qual os dois cromossomas implicados compartilham sequências muito
similares. A recombinação não-homóloga pode ser danosa para as células, já que
pode produzir translocações cromossómicas e anormalidades genéticas. A reacção
de recombinação é catalisada por enzimas conhecidas como recombinases, tais como
a RAD51.[94] O primeiro passo no processo de recombinação é uma rotura da dupla
cadeia, causada por uma endonuclease ou por dano no ADN.[95] Posteriormente, uma
série de passos catalisados em parte pela recombinase conduz à união das duas

hélices formando pelo menos uma junção de Holliday, na qual um segmento de uma
cadeia simples é anelada com a cadeia complementar na outra hélice. A junção de
Holliday é uma estrutura de união tetraédrica que pode mover-se ao longo do par
de cromossomas, intercambiando uma cadeia por outra. A reacção de recombinação
detém-se pelo corte da união e a reunão dos segmentos de ADN libertados.[96]

　

Evolução do metabolismo de ADN

O ADN contém a informação genética que permite à maioria dos organismos vivos
funcionar, crescer e reproduzirem-se. No entanto, não é claro durante quanto

tempo exerceu esta função nos ~3000 milhões de anos desde a história da vida, já
que se propôs que as formas de vida mais precoces poderiam ter utilizado ARN
como material genético.[85][97] O ARN poderia ter funcionado como parte central
de um metabolismo primigénio, já que pode transmitir informação genética e
simultaneamente actuar como catalizador, formando parte das ribozimas.[98] Este
antigo mundo de ARN onde os ácidos nucleicos funcionariam como catalisadores e
como armazéns de informação genética poderia ter influenciado na evolução do
código genético actual, baseado em quatro nucleótidos. Isto se deveria a que o
número de bases únicas num organismo é um compromisso entre um número pequeno de

bases (o que aumentaria a precisão da replicação) e um número grande de bases
(que por sua vez aumentaria a eficiência catalítica das ribozimas).[99]

Infelizmente, não dispomos de evidência directa dos sistemas genéticos
ancestrais, porque a recuperação do ADN a partir da maior parte dos fósseis é
impossível. Isto se deve a que o ADN é capaz de sobreviver no meio ambiente
durante menos de um milhão de anos, e logo começa a degradar-se lentamente em
fragmentos de menor tamanho em solução.[100] Algumas investigações pretendem a
obtenção de ADN mais antigo, por exemplo o isolamento de uma bactéria viável a
partir de um cristal salino de 250 milhões de anos de antiguidade,[101] mas

estes dados são controversos.[102][103]

No entanto, podem utilizar-se ferramentas de evolução molecular para inferir
os genomas de organismos ancestrais a partir de organismos
contemporâneos.[104][105] Em muitos casos, estas inferências são suficientemente
fiáveis, de maneira que uma biomolécula codificada num genoma ancestral pode ser
ressuscitada no laboratorio para ser estudada hoje.[106][107] Uma vez que a
biomolécula ancestral foi ressuscitada, as suas propriedades podem oferecer
inferências sobre ambientes e estilos de vida primigénios. Este processo
relaciona-se com o campo emergente da paleogenética experimental.[108] Apesar de

tudo, o processo de trabalho até atrás desde o presente tem limitações
inerentes, razão pela qual outros investigadores tratam de elucidar o mecanismo
evolutivo trabalhando desde a origem da Terra até adiante no tempo. Dada
suficiente informação sobre a química no cosmos, como as substâncias cósmicas
poderiam haver-se depositado na Terra, e as transformações que poderiam ter tido
lugar na superfície terrestre primigénia, talvez poderíamos ser capazes de
aprender sobre as origens para desenvolver modelos de evolução da informação
genética até diante no tempo.

　

Aplicações

Engenharia genética

A investigação sobre o ADN tem um impacto significativo, especialmente no
âmbito da medicina, mas também na agricultura e criação de gado (onde os
objectivos são os mesmos que com as técnicas tradicionais que o homem utiliza
desde há milénios – a domesticação, a selecção e os cruzamentos dirigidos – para
obter raças de animais e plantas mais produtivos). A moderna biologia e
bioquímica fazem uso intensivo da tecnologia do ADN recombinante, introduzindo
genes de interesse em organismos, com o objectivo de expressar uma proteína

recombinante concreta, que pode ser:

* isolada para seu uso posterior: por exemplo, podem-se transformar
microorganismos para os converter em autênticas fábricas que produzem grandes
quantidades de substâncias úteis, como a insulina, que posteriormente se isolam
e se utilizam em terapias.[109][110][111]

* necessária para substituir a expressão de um gene endógeno danificado que
dê lugar a uma patologia, o que permitiria o restabelecimento da actividade da
proteína perdida e eventualmente a recuperação do estado fisiológico normal, não
patológico. Este é o objectivo da terapia genética, um dos campos em que se está

a trabalhar activamente em medicina, analisando vantagens e inconvenientes de
diferentes sistemas de administração do gene (virais e não virais) e os
mecanismos de selecção do ponto de integração dos elementos genéticos (distintos
para os vírus e transposões) no genoma alvo.[112] Neste caso, antes de
apresentar-se a possibilidade de realizar uma terapia génica numa determinada
patologia, é fundamental compreender o impacto do gene de interesse no
desenvolvimento de dita patologia, para o qual é necessário o desenvolvimento de
um modelo animal, eliminando ou modificando dito gene num animal de laboratório,
mediante a técnica knockout.[113] Só no caso de os resultados no modelo animal

sejam satisfatórios se procederia a analisar a possibilidade de restabelecer o
gene danificado mediante terapia génica.

* utilizada para enriquecer um alimento: por exemplo, a composição do leite
(que é uma importante fonte de proteínas para o consumo humano e animal) pode
modificar-se mediante transgénese, adicionando genes exógenos e inactivando
genes endógenos para melhorar o seu valor nutricional, reduzir infecções nas
glândulas mamárias, proporcionar aos consumidores proteínas antipatogénicas e
preparar proteínas recombinantes para o uso farmacêutico.[114][115]

* útil para melhorar a resistência do organismo transformado: por exemplo, em

plantas podem-se introduzir genes que conferem resistência a agentes patogénicos
(vírus, insectos, fungos), assim como a agentes estressantes abióticos
(salinidade, seca, metais pesados).[116][117][118]

　

Medicina forense

Os médicos forenses podem utilizar o ADN presente no sangue, no sémen, na
pele, na saliva ou em pelos, existentes na cena de um crime, para identificar o
responsável. Esta técnica denomina-se impressão genética, ou também perfil de
ADN. Ao realizar a impressão genética, compara-se o comprimento de secções

altamente variáveis do ADN repetitivo, como os microssatélites, entre pessoas
diferentes. Este método é frequentemente muito fiável para identificar um
criminoso.[119] No entanto, a identificação pode complicar-se se a cena do crime
estiver contaminada com ADN de pessoas diferentes.[120] A técnica da impressão
genética foi desenvolvida em 1984 pelo geneticista britânico Sir Alec Jeffreys,[121]
e utilizada pela primeira vez em medicina forense para condenar Colin Pitchfork
por causa dos assassinatos de Narborough (Reino Unido) em 1983 e 1986.[122]
Pode-se requerer às pessoas acusadas de certos tipos de crimes que proporcionem
una amostra de ADN para ser introduzida numa base de dados. Isto tem facilitado

o trabalho dos investigadores na resolução de casos antigos, onde só se obteve
uma amostra de ADN da cena do crime, em alguns casos permitindo exonerar um
convicto. A impressão genética também pode ser utilizado para identificar
vítimas de acidentes em massa,[123] ou para realizar provas de consanguinidade.[124]

　

Bioinformática

A bioinformática implica a manipulação, busca e extracção de informação dos
dados da sequência do ADN. O desenvolvimento das técnicas para armazenar e
procurar sequências de ADN gerou avanços no desenvolvimento de software para

computadores, para muitas aplicações, especialmente algoritmos de busca de
frases, aprendizagem automática e teorias de bases de dados.[125] A busca de
frases ou algoritmos de coincidências, que procuram a ocorrência de uma
sequência de letras dentro de uma sequência de letras maior, desenvolveu-se para
buscar sequências específicas de nucleótidos.[126] Em outras aplicações como
editores de textos, inclusive algoritmos simples podem funcionar, mas as
sequências de ADN podem gerar que estes algoritmos apresentem um comportamento
de quase o pior caso, devido ao baixo número de caracteres. O problema
relacionado do alinhamento de sequências persegue identificar sequências

homólogas e localizar mutações específicas que as diferenciam. Estas técnicas,
fundamentalmente o alinhamento múltiplo de sequências, utilizam-se ao estudar as
relações filogenéticas e a função das proteínas.[127] As colecções de dados que
representam sequências do ADN do tamanho de um genoma, tais como as produzidas
pelo Projecto Genoma Humano, são difíceis de usar sem anotações, que marcam a
localização dos genes e dos elementos reguladores em cada cromossoma. As regiões
de ADN que têm padrões associados com genes que codificam proteínas ou genes
codificantes de ARN, podem identificar-se por algoritmos de localização de
genes, o que permite aos investigadores predizer a presença de produtos génicos

específicos num organismo mesmo antes que se tenha isolado
experimentalmente.[128]

　

Nanotecnologia de ADN

A nanotecnologia de ADN utiliza as propriedades únicas de reconhecimento
molecular de ADN e outros ácidos nucleicos para criar complexos ramificados
auto-ensamblados com propriedades úteis. Neste caso, o ADN utiliza-se como um
material estrutural, mais que como um portador de informação biológica.[129]
Isto conduziu à criação de lâminas periódicas de duas dimensões (ambas baseadas

em azulejos, assim como usando o método de "ADN origami"), para além de
estruturas em três dimensiones com forma de poliedros.

　

História e antropologia

O ADN armazena mutações com o tempo, que se herdam, e portanto contém
informação histórica, de maneira que comparando sequências de ADN, os
geneticistas podem inferir a história evolutiva dos organismos, a sua
filogenia.[130] O campo da filogenia é uma ferramenta potente na biologia

evolutiva. Se se compararem as sequências de ADN dentro de uma espécie, os
geneticistas de populações podem conhecer a história de populações particulares.
Isto pode-se utilizar numa ampla variedade de estudos, desde ecologia até
antropologia; por exemplo, evidência baseada na análise de ADN está a ser
utilizada para identificar as Dez Tribos Perdidas de Israel.[131][132] Por outro
lado, o ADN també se utiliza para estudar relaciones familiares recentes.

　

Vida

Cada ser vivo que habita a Terra possui uma codificação diferente de

instruções escritas na mesma linguagem no seu ADN. Estas diferenças geram as
diferenças orgânicas entre os organismos vivos.

Diferentes níveis de condensação do ADN. (1) Cadeia simples de ADN . (2)
Filamento de cromatina (ADN com histonas). (3) Cromatina condensada em intérfase
com centrómeros. (4) Cromatina condensada em prófase. (Existem agora duas cópias
da molécula de ADN) (5) Cromossoma em metáfase

A dupla cadeia polinucleotídica constitui a molécula de ADN, cuja seqüência
de nucleotídeos codifica as instruções hereditárias, organizadas em genes, que
codificam as inúmeras proteínas existentes nas mais variadas células. As

moléculas de ADN contêm portanto a informação genética necessária para a
codificação das características de um indivíduo, como a cor do cabelo em
humanos, o formato da folha em Angiospermas e a sua morfologia.

O ADN de todas as células do corpo humano seria equivalente, se fosse visível
a olho nu, em comprimento, a oito mil vezes a distância da Terra à Lua.

　

Criação das moléculas

Presume-se que a Terra, ao se formar de poeira e gases interestelares há
aproximadamente 4,6 bilhões (ou mil milhões (Português de Portugal)) de anos, já

continha os elementos que posteriormente seriam a base da vida.

Através dos registos fósseis estudados, alguns cientistas afirmam que a vida
se desenvolveu em torno de 4 bilhões de anos atrás nos oceanos primitivos do
planeta. Segundo alguns, a complexidade das primeiras formas vivas era muito
menor que a de qualquer organismo unicelular, que pode ser considerado um ser
vivo altamente sofisticado em relação àquelas.

Presume-se que em reacções das mais diversas, influenciadas pela luz
ultravioleta do Sol, relâmpagos, etc, iniciaram as composições de moléculas
bastante simples. Estas eram ricas em hidrogénio procedente da atmosfera

primitiva.

Ao avançar do tempo, iniciou-se um processo que levou aqueles fragmentos
primitivos a se combinarem e recombinarem, o que gerou moléculas cada vez mais
complexas.

Os oceanos da Terra assemelhavam-se a um caldo orgânico porém, ainda não eram
vivos. À medida em que a complexidade das moléculas aumentava, começaram a
surgir algumas que iniciaram um processo grosseiro de copiarem a si mesmas.

Estas eram provavelmente as primeiras ancestrais do ácido
desoxirribonucléico, ou ADN, molécula principal da vida na Terra.

　

Evolução

Alguns cientistas afirmam que o planeta Terra era um Jardim do Éden
molecular, há cerca de quatro mil milhões de anos. As moléculas reproduziam-se
de forma ineficiente, produzindo-se cópias grosseiras. Neste tipo de cenário
ocorreram as primeiras replicações, mutações, e extinções de forma selectiva e
aleatória. As variedades menos eficientes foram sendo eliminadas, enquanto
aquelas que conseguiam sobreviver tornaram-se cada vez mais eficientes a cada
geração – evolução.

Avançando-se no tempo, as moléculas orgânicas foram adquirindo mais e mais
funções especializadas, foram-se juntando aos poucos e de forma casual. A
princípio, pode-se dizer que estas colectividades moleculares formaram algo
parecido com o primeiro ser vivo composto a partir de algum momento por um ADN
funcional.

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