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Estrutura e Estabilidade do DNA

Autores: Larissa Assis Barony Valadares Fonseca , Guilherme Marson , Nadja Cristhina Souza Pinto

O tutorial explora a estrutura tridimensional do ácido desoxirribonucléico, o DNA, e as relações entre determinadas características estruturais com as atividades biológicas desta molécula. Nesse sentido, o tutorial apresenta as seguintes ferramentas: 

  1. Texto explicativo sobre as características estruturais do DNA que são evidenciadas na animação;
  2. Botão   para acionar a animação da estrutura tridimensional do DNA.

Ao concluir esse estudo você deve ser capaz de:

 

  1. Descrever os tipos de conformação espacial que as duas cadeias poliméricas do DNA podem adotar;
  2. Listar os quatro monômeros que compõem o biopolímero de DNA;
  3. Estabelecer a relação entre a sequência de nucleotídeos e a informação genética;
  4. Listar a composição dos quatro monômeros constituintes do DNA;
  5. Identificar o tipo de ligação química que associa as duas cadeias poliméricas;
  6. Identificar qual parte do monômero estabelece as ligações químicas que associam as duas cadeias poliméricas;
  7. Comparar a sequência de monômeros das duas cadeias poliméricas do DNA;
  8. Explicar o princípio de Chargaff;
  9. Identificar o tipo de ligação química que associa dois nucleotídeos em uma mesma cadeia polimérica;
  10. Identificar o tipo de interação química que ocorre entre as bases nitrogenadas de nucleotídeos subjacentes em uma mesma cadeia polimérica;
  11. Identificar os tipos de ligações químicas que estabilizam a dupla hélice.
  12. Identificar qual tipo de interação química é a maior contribuinte para a estabilidade da dupla hélice.
  13. Diferenciar o grau de estabilidade de duas sequências de DNA, uma rica em desoxiguanilato e desoxicitidilato, outra rica em desoxiadenilato e desoxitimidilato.
  14. Identificar os tipo de interações químicas que ocorrem entre o DNA e proteínas;
  15. Identificar o elemento estrutural do DNA que é, predominantemente, utilizado no reconhecimento de sequência específica por proteínas;
  16. Explicar a influência da sequência de nucleotídeos na conformação da dupla hélice do DNA.

Pré-requisito:

 

Antes de iniciar o tutorial aprenda mais sobre os diferentes modos de representação de estrutura tridimensional de moléculas .

Para aprender mais sobre a estrutura da molécula de DNA você pode consultar as referências bibliográficas .

 

 

Como é organizada a molécula de DNA?

Na maioria dos sistemas biológicos, a estrutura molecular do DNA é composta por duas cadeias poliméricas helicoidais (também chamadas de fitas) associadas como uma dupla hélice. Existem diversas conformações possíveis para a dupla hélice, sendo as mais comuns as formas B, A e Z . Nesse tutorial será explorada a forma B da dupla hélice que possui as seguintes características:
  1. Eixo de rotação da hélice orientado para a direita;
  2. Duas características estruturais distintas que se repetem no sentido das cadeias, as fendas maior e menor.
As fendas são importantes na interação do DNA com outras biomoléculas presentes na célula, por exemplo, proteínas. Em comparação com as formas A e Z, a forma B possui fendas mais largas, permitindo maior acessibilidade da informação genética por proteínas.
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Qual a composição das cadeias poliméricas do DNA?

As duas cadeias poliméricas são formadas por quatro tipos de monômeros, denominados nucleotídeos, indicados como dA, dT, dC e dG. Cada volta da forma B da dupla hélice possui aproximadamente 10 pares de nucleotídeos. Cada nucleotídeo é composto por três regiões: grupo fosfato, uma desoxirribose e uma base nitrogenada heterocíclica. Os nucleotídeos diferem quanto à base nitrogenada, que pode ser guanina (G), adenina (A), timina (T) ou citosina (C). As bases nitrogenadas adenina e guanina são bases púricas, compostas por dois anéis heterocíclicos, enquanto as bases timina e citosina são bases pirimídicas, compostas por apenas um anel heterocíclico. A nomenclatura de cada nucleotídeo é determinada em referência ao nome da base nitrogenada: desoxiguanilato (dG), desoxiadenilato (dA), desoxitimidilato (dT) e desoxicitidilato (dC). A sequência de nucleotídeos no DNA codifica a informação genética.
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Como os nucleotídeos estão unidos na mesma cadeia polimérica?

Em cada cadeia, os nucleotídeos estão unidos por uma ligação covalente, a ligação fosfodiéster . Nesta ligação o grupo fosfato de um nucleotídeo está ligado ao carbono 5’ de sua desoxirribose e ao carbono 3’ da desoxirribose do nucleotídeo anterior e assim sucessivamente. Isto resulta num esqueleto regular de grupos -O(P=O)O-C5’-desoxirribose-3’-O(P=O)O- alternados, denominado esqueleto fosfodiéster. Cada cadeia se inicia com um grupo fosfato ligado ao carbono 5’ da desoxirribose do primeiro nucleotídeo e termina com um grupo hidroxila ligado ao carbono 3’ da desoxirribose do último nucleotídeo.
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Como os nucleotídeos de cadeias poliméricas complementares se associam?

A associação das duas cadeias poliméricas ocorre por meio de ligações de hidrogênio entre as bases nitrogenadas dos nucleotídios de cada cadeia, dois a dois. Tais arranjos são denominamos pares de bases e ocorrem de forma específica: a adenina faz duas ligações de hidrogênio com a timina (A-T) e a guanina faz três ligações de hidrogênio com a citosina (G-C). Essa complementariedade de bases foi identificada por Watson e Crick e permite que a informação genética codificada no DNA seja replicada fielmente. Uma consequência direta da complementariedade é que a frequência de dG é igual a de dC, e a frequência de dA é igual a de dT (princípio de Chargaff). Além disso, estabelece um diâmetro regular de 2 nm para a dupla hélice porque os dois pares de bases tem comprimento próximo.
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Como as bases nitrogenadas interagem na mesma cadeia polimérica?

Em uma mesma cadeia, as bases nitrogenadas adjacentes estabelecem interações não covalentes do tipo dipolo-dipolo induzido e dipolo-dipolo , conjuntamente denominadas interações de empilhamento de bases. Essas interações são favorecidas por dois fatores:
  1. A proximidade entre os pares de bases empilhados (0.34 nm) favorece a interação dos anéis das bases nitrogenadas;
  2. O comprimento próximo dos dois pares de bases A-T e C-G que sobrepõe os anéis planares das bases nitrogenadas, favorecendo a interação entre esses.
Portanto, as bases nitrogenadas estabelecem entre si interações não covalentes:
  1. Interações de empilhamento de bases na mesma cadeia polimérica;
  2. Ligações de hidrogênio entre cadeias poliméricas.
Essas interações são fundamentais para definir uma dupla hélice estável, conforme explicado no tutorial Estabilidade do DNA.
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Como estão orientadas as cadeias poliméricas?

As duas cadeias poliméricas estão orientadas de forma antiparalela como consequência da orientação oposta de um nucleotídeo em relação ao seu complementar. Considerando o plano estabelecido por cada par de bases nitrogenadas, a orientação antiparalela é evidenciada pela orientação do oxigênio da desoxirribose de cada nucleotídeo em relação ao plano. O oxigênio da desoxirribose de um nucleotídeo está orientado para baixo do plano, enquanto o outro oxigênio está orientado para cima do plano. A orientação antiparalela é necessária para o estabelecimento do padrão Watson-Crick de ligações de hidrogênio entre os pares de bases, sendo importante para a estabilidade da forma B da dupla hélice. Se os pares A-T e C-G fossem paralelos, ambos estabeleceriam duas ligações de hidrogênio. Assim, uma cadeia polimérica está orientada na direção 5’→3’ e a outra na direção 3’→5’, de forma que as extremidades superior e inferior da dupla hélice apresentam: um grupo fosfato ligado ao carbono 5' e um grupo hidroxila ligado ao carbono 3'. A direção de síntese do DNA é sempre 5’→3’ e as duas fitas são sintetizadas simultaneamente enquanto a forquilha de replicação se move ao longo do DNA. Portanto, em consequência da orientação antiparalela do DNA, a fita que possui orientação 5’→3’ é sintetizada de forma contínua, enquanto a outra fita 3’→5’ é sintetizada de forma descontínua, gerando os fragmentos de Okasaki.
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Qual a consequência da orientação antiparalela das cadeias?

A orientação antiparalela das cadeias de DNA resulta na formação da fenda maior e da fenda menor na superfície do DNA. Isso ocorre porque a geometria antiparalela do par de bases determina entre as duas ligações N-beta-glicosídicas dois ângulos opostos e distintos: um menor ângulo de 120º e um maior ângulo de 240º. A sobreposição dos 10 pares de bases por volta da dupla hélice determina em um lado da dupla hélice a fenda menor, referente ao ângulo de 120º, e no outro lado da dupla hélice a fenda maior, referente ao ângulo de 240º. Assim, a distância entre o esqueleto fosfodiéster é diferente nas extremidades opostas do plano estabelecido pelos anéis planares das bases nitrogenadas. A maior distância possui 2.2 nm e a menor 1.2 nm, o que define, respectivamente, as fendas maior e menor.
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Qual a importância das fendas da dupla hélice?

As fendas são importantes porque expõem grupos químicos das bases nitrogenadas que, consequentemente, estão disponíveis para interagir por meio de ligações de hidrogênio com outras moléculas presentes na célula, por exemplo proteínas. Os grupos químicos aceptores de ligação de hidrogênio (AH) são o átomo de nitrogênio (N) e a carbonila (C=O), enquanto o grupo doador de ligação de hidrogênio (DH) é o grupo amina (NH2). Portanto, as proteínas interagem com o DNA por meio de interações com os grupos fosfato e com os grupos químicos das bases nitrogenadas expostos nas fendas da dupla hélice.
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Como é feito o reconhecimento de sequências específicas de nucleotídeos por proteínas?

O reconhecimento de sequências específicas de nucleotídeos por proteínas envolve o padrão de ligações de hidrogênio estabelecido entre resíduos de aminoácidos com os grupos químicos aceptores e doadores de hidrogênio expostos nas fendas, uma vez que as interações eletrostáticas com o esqueleto fosfodiéster são comuns a qualquer sequência. Em geral, as proteínas reconhecem os grupos químicos expostos na fenda maior, por duas razões: 1. Possui maior diâmetro, o que favorece o contato direto entre os resíduos de aminoácidos do domínio de ligação da proteína com os grupos químicos das bases nitrogenadas. 2. Expõe padrão de grupos químicos aceptores e doadores de hidrogênio distinto entre os pares de bases A-T, T-A e C-G, G-C. Além disso, exibe uma inversão da posição espacial do grupo Metila e do grupo 4-amino, que é importante para a distinção entre os pares. Note que a fenda menor apresenta o mesmo padrão de grupos químicos entre os pares A-T, T-A e C-G, G-C. Isto não favorece o reconhecimento de sequência específica, embora não inviabilize.
Par de bases Fenda maior Fenda menor
T-A Metila AH DH AH AH H AH
A-T AH DH AH Metila AH H AH
C-G 4-amino AH AH - AH DH AH
G-C AH AH 4-amino - AH DH AH
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Quais elementos estruturais da dupla hélice estão representados pelo diagrama?

Passe o cursor do mouse sobre as áreas do diagrama referentes aos elementos estruturais identificados. Quando a área salientar uma coloração acinzentada clique sobre ela para acionar uma animação. Estabeleça relações entre a estrutura bidimensional e tridimensional da dupla hélice.
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Como são estabelecidos os domínios hidrofílico e hidrofóbico da dupla hélice?

Dadas as características de polaridade de cada componente dos nucleotídeos, o meio aquoso da célula exerce um efeito hidrofóbico sobre a base nitrogenada e um efeito hidrofílico sobre o grupo fosfato, determinando respectivamente os domínios hidrofóbico e hidrofílico da dupla hélice.
  1. Efeito hidrofóbico do meio aquoso sobre as bases nitrogenadas promove o empilhamento das bases adjacentes, que estabelecem as interações de empilhamento de bases. Essas interações diminuem o contato da base nitrogenada hidrofóbica com a água, estabelecendo o domínio hidrofóbico voltado para o interior da dupla hélice.
  2. Efeito hidrofílico do meio aquoso sobre o grupo fosfato determina as cargas negativas do esqueleto fosfodiéster que estabelecem interações não covalentes do tipo íon-dipolo e dipolo-dipolo com a água e interações íon-íon com os cátions em solução, estabelecendo o domínio hidrofílico da dupla hélice. Essas cargas negativas são consequência da acidez da ligação fosfodiéster, pKa ~ 1,5, estando o grupo fosfato desprotonado no pH 7,4 da célula. As cargas negativas dos grupos fosfato são importantes na interação de proteínas com o DNA, um exemplo são as interações iônicas entre as histonas e o DNA que estão envolvidas na formação do nucleossomo , a unidade fundamental da cromatina.
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O que estabiliza a dupla hélice do DNA?

A estabilidade da associação das duas cadeias poliméricas é determinada pelas interações eletrostáticas entre grupos funcionais do DNA. Considera-se:

  1. Na mesma cadeia (empilhamento de bases): as bases nitrogenadas adjacentes estabelecem interações eletrostáticas de dipolo-dipolo e dipolo-dipolo induzido, conjuntamente denominadas interações de empilhamento de bases. Essas interações estabilizam a conformação helicoidal da dupla hélice.
  2. Entre cadeias (pareamento de bases): as bases nitrogenadas de cadeias complementares estabelecem ligações de hidrogênio formando os pares de bases AT e CG. Essas interações estabilizam a associação das duas cadeias.
  3. Entre as cadeias e o meio aquoso da célula: os grupos fosfato estabelecem com a água interações do tipo íon-dipolo, dipolo-dipolo e dipolo-dipolo induzido e com os cátions interações íon-íon. Essas interações eletrostáticas contribuem com a estabilidade da dupla hélice há medida que diminuem a repulsão entre as cargas negativas dos grupos fosfato.

As interações de empilhamento de bases contribuem mais para a estabilidade da dupla hélice do que as ligações de hidrogênio entre pares de bases.

Veja explicações sobre Interações intra e intermoleculares

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A sequência de nucleotídeos determina a estrutura de regiões específicas da dupla hélice, com base nas interações eletrostáticas estabelecidas entre bases nitrogenadas:

  1. A força de interação entre duas bases nitrogenadas depende de quais bases estão interagindo, visto que o par CG estabelece três ligações de hidrogênio e o par AT estabelece apenas duas ligações de hidrogênio. Nesse sentido, um dos fatores determinantes para a estabilidade termodinâmica de regiões específicas da dupla hélice é a razão de pares de bases AT/CG.
  2. A força das interações de empilhamento de bases depende de quais bases nitrogenadas estão interagindo, visto que cada base possui aromaticidade e momentos de dipolo específicos. Por exemplo, guanina sobreposta com citosina, é mais estável do que adenina sobreposta a timina, visto que as interações de dipolo-dipolo e dipolo-dipolo induzido, que ocorrem entre os anéis aromáticos das bases nitrogenadas G e C sobrepostas são mais fortes do que as que ocorrem entre A e T sobrepostas. Assim, a estabilidade das interações de empilhamento de bases observada a 37ºC segue esta ordem: GC > CG > GG > GA ≈ GT ≈ CA > CT > AA > AT > TA. O promotor de transcrição TATA-box é um bom exemplo de como a sequência de nucleotídeos determina a estrutura de regiões específicas da dupla hélice. Esse promotor está presente em cerca de 24% dos genes humanos, dos quais aproximadamente 10% possui a sequência consenso 5’ T-A-T-A-@-A-@-N 3’, onde N significa qualquer base nitrogenada e @ significa adenina ou timina. Essa alternância de purina (adenina) com pirimidina (timina) tende a dobrar a dupla hélice no sentindo da fenda maior, comprimindo-a, e abrindo a fenda menor. A fenda menor “alargada” é sítio para o reconhecimento de sequência específica do TATA-box pela proteína de ligação ao TATA-box (TBP). A interação da proteína TBP com o TATA-box aumenta ainda mais a curvatura da dupla hélice no sentido da compressão da fenda maior e a subsequente abertura da fenda menor. Nesse caso, a maior parte das interações entre a proteína com a fenda menor consiste em interações não polares e hidrofóbicas. Dessa forma, o reconhecimento do TATAbox pela TPB não é de sequência específica  per si, mas o reconhecimento da conformação da dupla hélice induzida pela sequência de nucleotídeos do TATAbox.
Ao contrário da TBP, muitas proteínas fazem reconhecimento de sequência específica estabelecendo interações com a fenda maior, por exemplo a proteína Gal 4 de levedura que está envolvida na transcrição de genes requeridos para o metabolismo de galactose. A Gal 4 possui dois domínios de ligação aos trinucleotídeos CCG presentes no início e no final da sequência consenso 5’-CCGGAGGACAGTCCTCCGG-3’. Essa sequência de nucleotídeos não causa alterações significativas da conformação B-DNA, possuindo as fendas menor e maior com largura e profundidade padrão. A estrutura tridimensional da molécula de DNA que foi usada nas animações deste tutorial possui a sequência consenso à qual a proteína Gal 4 se liga, 5’-CCGGAGGACAGTCCTCCGG-3’.
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Explore o complexo Gal4/DNA usando os comandos abaixo:

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Explore o complexo TBP/DNA usando os comandos abaixo:

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