COGITARE EM SAÚDE

No mundo vivo há moléculas informativas que garantem as características dos organismos. Contudo essa informação não é imutável e a mudança cria a diversidade da vida que se transmite ao longo das sucessivas gerações, obedecendo a leis em parte conhecidas.

A informação genética que define as características de cada organismo vivo encontra-se classificada na sequência de nucleotídeos que constituem o ADN (ácido desoxirribonucleico). Este constitui o suporte universal para toda a informação biológica que define as características de cada organismo, aplicando-se este principio a todas as células vivas desde as que constituem os seres mais simples aos dotados de uma maior complexidade genética nomeadamente o ser humano.
ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO

As unidades fundamentais que entram na constituição dos ácidos nucleicos são designadas nucleótideos e cada um é constituído por resíduos de uma molécula de ácido fosfórico, uma pentose, e uma base azotada.

No ADN o açúcar que entra na constituição do nucleotídeo é a desoxirribose, por isso se designa de ácido desoxirribonucleico.
As bases azotadas que entram na constituição do ADN são quatro, sendo duas delas designadas por bases pirimídicas: timina e citosina, enquanto que as outras duas bases: a adenina e a guanina derivam de base percursora púrica – bases púricas.

Assim sendo o ADN é uma cadeia dupla de vários nucleótideos que se associam através de um tipo de ligação covalente – ligação fosfodiester. A ligação faz-se através do grupo fosfato que vai estabelecer a ligação entre o grupo hidroxilo (OH) através do carbono 3’ da pentose de um nucleotídeo, com o grupo hidroxilo com um carbono 5’ da pentose de outro nucleotídeo.

Este tipo de ligações fosfodiester faz-se sempre do mesmo modo, o que significa que qualquer cadeia nucleotídica tem uma extremidade 3’ e outra oposta 5’ – estabelecimento polarizado.

No ADN coexistem duas cadeias polidesoxirribonucleotidicas. Se provocarmos a hidrólise dos ácidos nucleicos vamos desdobra-los nas suas subunidades constituintes. Mas é também possível hidrolisar os nucleotídeos, o que se traduz na remoção de um grupo fosfato, vamos então ter o conjunto do açúcar e da base – nucleosídeo. Os diferentes nucleosídeos diferem uns dos outros quanto ao tipo de base que os constituem, podem distinguir-se uns dos outros e podem ser abreviadamente identificados pela inicial maiúscula que é uma letra da base que entra na sua constituição. Assim, os nucleosídeos em cuja constituição entram as bases púricas têm a terminação – osina: adenosina A; guanosina G. Os nucleosídeos de bases pirimídicas têm toda uma terminação comum – idina: citidina C; timidina T.

Podemos afirmar que os nucleotídeos são monofosfatos de nucleosídeos, mas nas células existem no estado livre, não só os nucleosídeos monofosfato, mas também os difosfato e trifosfato. Há tantas variantes quantas as bases (adenosina monofosfato, citosina difosfato, …,)

O ATP é um trifosfato de adenosina que tem nas células uma importância biológica fundamental – armazenamento de energia e quando o metabolismo implica gasto de energia é ao ATP que a vai buscar. Isto porque a hidrolisa um grupo fosfato – reacção endergónica (gasta energia). É de salientar que há outros tipos de nucleosídeos com grande importância biológica nas células.

As primeiras referências à existência de ADN nas células remontam ao séc. XIX com os trabalhos de Miescher que observava em doentes o pus das feridas (glóbulos brancos). Verificou que havia uma substância com características acídicas e designou-a nucleína. Mas a experiência mais marcante que mostrou que a nucleína é a responsável pela transferência das características nos seres vivos foi a de Avery, McCarty e Macleoud. Estes realizaram experiências com bactérias Streptococos pneumoniae.

Inocularam um animal com uma estirpe virulenta da bactéria e os animais morreram, mas se fossem injectados com uma estirpe não virulenta o animal permanecia saudável. Isolaram-se os ácidos nucleicos da estirpe virulenta da bactéria e estes foram injectados numa estirpe normal, não virulenta. Esta adquiriu virulência pois os ácidos nucleicos foram seus portadores e introduziram-se nos ácidos nucleicos da estirpe não virulenta, passando a fazer parte desta.

Os estudos prosseguiram e merecem referência os trabalhos de Chargaft – isolou o ADN de diferentes espécies e conseguiu chegar a determinadas conclusões fundamentais:
Verificou que a composição do ADN era diferente nas células de diferentes espécies – a composição de ADN varia de espécie para espécie.
Todas as células de um mesmo organismo possuíam ADN de composição idêntica – o ADN extraído de diferentes tecidos da mesma espécie apresentava a mesma composição de bases.
Verificou que no ADN o número de adeninas é igual ao número de timinas e o número de guaninas é igual ao número de citosinas – a quantidade de bases púricas é igual ao de bases pirimídicas. (A+G=T+C)
A composição de ADN de um dado organismo não se altera nem com a idade do organismo, nem com o estado de nutrição, nem com as condições ambientais.

Posteriormente, Rosalindd e Maurice Wilkins fizeram estudos de difracção de raio-X, a que o ADN foi sujeito.

O espectro de refracção permitiu demonstrar que esta molécula tinha uma certa periodicidade e uma estrutura helicoidal. Foi todo este conjunto de resultados que possibilitaram que em 1953 Watson e Crick demonstrassem a representação em hélice dupla. Estes cientistas definiram a molécula de ADN como constituída por duas cadeias de polinucleotideos, que estavam enroladas uma sobre a outra. Na estrutura dessa hélice dupla as bases azotadas encontram-se dirigidas para a parte interna da cadeia e as bases formam planos equidistantemente separados uns dos outros (0.34 nm). Como cada volta da hélice tem aproximadamente 3.4 nm, há então 10 pares de bases – forma B do ADN.

Em solução – forma A do ADN – é mais compactada e pode formar várias formas diferentes, dependendo das condições e diferem no grau de compactação e no arranjo dos constituintes.

Quanto às bases, o que podemos verificar é que quando numa das cadeias da hélice dupla há uma timina, esta só emparelha com um nucleotídeo de adenina da cadeia adjacente. Isto é conseguido através de duas ligações de hidrogénio. O mesmo se pode dizer em relação à guanina e à citosina, mas neste caso a ligação estabelece-se à custa de três ligações de hidrogénio.

Quanto à constituição das duas cadeias que formam a hélice dupla podemos afirmar que as duas cadeias não têm a mesma composição, mas podemos dizer que são complementares, quer dizer, se conhecermos a sequência de bases dos nucleotídeos de uma das cadeias podemos prever a sequência dos nucleotídeos da cadeia adjacente – princípio da complementaridade.

As cadeias têm uma orientação oposta, são anti paralelas. A hélice dupla é característica do ADN de todos os microorganismos. Até os vírus que possuem ADN é em cadeia dupla, embora alguns apenas tenham uma única cadeia de ácido polidesoxirribonucleico.

Nos eucariontes a molécula de ADN é linear, e a maioria deste ADN está no núcleo das células eucarióticas – cromossomas.

Nos procariontes, nos vírus que possuem ADN, nas mitocôndrias e nos plastídeos, a molécula de ADN em hélice dupla é circular e fechada, não é uma cadeia linear. Mas nos organismos que possuem ADN, este ácido nucleico é todo o suporte genético e é através dele que é transmitido todas as características.

Quando há divisão há duplicação de ADN e cada nova célula recebe uma quantidade idêntica de ADN. A partir de uma molécula molde vão originar-se moléculas com uma constituição idêntica. Por vezes encontra-se para este processo a designação – replicação de ADN, mas realmente é duplicação do ADN.

PERSPECTIVA HISTÓRICA DA REPLICAÇÃO

Para que a molécula duplique é preciso que pelo menos temporariamente as duas cadeias que constituem a hélice dupla se separem por momentos e o rompimento das ligações de hidrogénio provoquem a separação das duas cadeias da hélice, e agora cada uma serve de molde para a síntese de duas novas cadeias polirribonucleotideas.

A duplicação é um processo que permite a síntese de novas moléculas a partir de uma molécula molde. Por complementaridade de bases é que se dá origem às duas novas cadeias.

Nesta altura levanta-se um problema, nomeadamente de saber se as cadeias percursoras se juntavam novamente ou replicariam com as novas cadeias sintetizadas.

Procurou saber-se se a duplicação seguiria um processo conservativo – em que a cadeia molde se mantinha unida como estava e as cadeias “filhas” formavam uma nova molécula de X. Ou pelo contrario, aconteceria o modelo semiconservativo.

As experiências foram levadas a cabo por Meselson e Staht e após estas chegou-se à conclusão que a duplicação segue um modelo semiconservativo.

Os cientistas utilizaram bactérias, cultivando-as num meio ao qual forneceram cloreto de amónio, em que o azoto era radioactivo 15 N – pesado. As bactérias incorporavam no seu metabolismo este composto azotado, e obviamente no seu X. Após vários ciclos de divisão X foi isolado e verificou-se que ocupava determinada posição no tubo da centrífuga.

Foi feita uma experiência paralela na qual as bactérias foram cultivadas em azoto 14 N. Esse X depois de extraído ocupava no tubo uma posição diferente, porque tinha uma densidade menor. O mais pesado estava no fundo.

Após a primeira duplicação recolheram-se amostras, isolou-se o X e procedeu-se à centrifugação, onde a certa altura se dá um equilíbrio na disposição das moléculas e aparecem bandas. A banda superior corresponde ao X normal e a do X com 15N aparece no fundo pois é mais pesado.

Quando se tirou o X do 15 N para o 14 N verificou-se que havia uma situação intermédia entre ambos. Após a primeira geração havia uma molécula de X leve e uma de X pesada. No fim da segunda geração havia duas moléculas de X leve e duas moléculas de X híbrido, logo tratava-se de uma duplicação semiconservativa.

Admite-se, portanto que a duplicação de X segue este modelo.

REPLICAÇÃO DO ADN

O processo de replicação envolve três fases distintas: iniciação, elongação e terminação.

Iniciação

Com a separação da dupla hélice, as duas cadeias expostas estariam sujeitas a degradação se não fosse a acção de outras proteínas, as proteínas destabilizadoras da hélice, que se ligam às cadeias de ADN e impedem que as bases das cadeias voltem a formar pontes de hidrogénio, mantendo, portanto, as cadeias separadas para que as enzimas de replicação possam agir.

Para impedir uma demora extrema, estimada em mil horas, a replicação é bidireccional na forquilha de replicação e tem múltiplos sítios de iniciação (cada um é activado uma vez por cada ciclo de replicação) ao longo da molécula. Em cada cromossoma existente no núcleo da célula a replicação ocorre simultaneamente e é independente dos restantes cromossomas. Sendo assim, demora de seis a oito horas.

Após a síntese do primer de ARN, a ADNpolimerase III pode começar a polimerização sempre no sentido 5’? 3’. Esta enzima catalisa a adição de um desoxirribonucleotídeo na extremidade 3’OH de uma cadeia polinucleotídea (cadeia que está a ser sintetizada) que está ligada a uma segunda cadeia de ADN, a cadeia molde. A ADNpolimerase III apresenta duas configurações: a configuração a, responsável pela síntese descontínua da cadeia lenta e a configuração d, responsável pela síntese da cadeia líder.
Mas, como as cadeias de ADN são antiparalelas e a ADNpolimerase III desloca-se apenas num sentido no ADN, só uma cadeia será sintetizada continuamente, a cadeia líder.

A cadeia complementar parental com a orientação 5’? 3’é copiada em pequenas partes, já que não existe nenhuma ADNpolimerase III que actue no sentido 3’? 5’. Esta nova cadeia sintetizada designa-se por cadeia lenta. Então, vão sendo sucessivamente sintetizados primer e formados pequenos segmentos de ADN com mil a dois mil nucleotídeos- Fragmentos de Okazaki, Estes fragmentos são sintetizados somente na direcção 5’? 3’.

A ADNpolimerase III da cadeia lenta precisa, aproximadamente, de quatro segundos para completar cada fragmento. É necessário um mecanismo especial para a síntese da nova cadeia de ADN. O mecanismo envolve a primase que utiliza ribonucleotídeos trifosfato para a síntese do primer. Estes são sintetizados espaçadamente na cadeia lenta, onde são alongados pela ADNpolimerase III para iniciar o Fragmento de Okazaki. A síntese de cada Fragmento de Okazaki termina quando a ADNpolimerase III “desliza” até ao primer preso na extremidade 5’ do fragmento anterior.
Para se produzir uma cadeia contínua de ADN implica que as sequência do primer de cada Fragmento de Okazaki sejam eliminadas e substituídos por ADN. Este processo ocorre sob acção da ADNpolimerase I. Esta enzima apresenta também uma estrutura oligomérica e é dotada de actividade exonucleásica 5’ ? 3’, que lhe permite degradar o primer de ARN a partir da sua extremidade 5’P. Esta mesma enzima, a ADNpolimerase I, catalisa a polimerização dos percursores de ADN e preenche as regiões correspondentes ao primer de ARN degradado, utilizando os nucleotídeos trifosfato de desoxirribose com formação da primeira ligação fosfodiéster sob o grupo 3’OH do Fragmento de Okazaki imediatamente anterior e por cópia do molde utilizado antes pela primase.

Terminação

Desta forma as duas novas cadeias de ADN estão terminadas e naturalmente enrolam-se e formam a dupla hélice.

ERROS NO ADN – MECANISMOS DE REPARAÇÃO

O sistema de reparação do ADN envolve 3 etapas:

A porção alterada do ADN é reconhecida e removida pelas enzimas endonucleases e exonucleases do sistema de reparação do ADN
O ADN polimerase preenche o local de acordo com a informação contida na fita integra
A quebra da molécula reparada é selada pela enzima ADN ligase

Há vários tipos de erros sendo os mais comuns os seguintes:

Influência das radiações ultra violetas: alteração na citosina que se transforma em uracilo ( por um processo de desaminação). Quando ocorre este erro há uma intervenção imediata das enzimas, que primeiro vão remover a base errada , de seguida remover o que resta desse nucleotídio ( grupo fosfato e açúcar) e uma ADN polimerase encaixa a base correcta.

Dimerização das tiaminas: ocorre de um modo geral nos nucleotídeos pirimidicos (existência de dois nucleotídeos adjacentes – não há dibases no ADN). A reparação consiste na intervenção de uma ADN polimerase que retira do dímero, sintetizando depois um fragmento correcto.

Estes erros são essenciais à vida, sendo pelas mutações que ocorrem ocasionalmente, que ocorre a evolução da espécie humana.

CONCLUSÃO

A replicação do X é um processo bastante rápido e complexo, onde intervêm enzimas específicas das quais se destacam as ADN polimerases. Nos eucariontes a replicação inicia-se em vários pontos e progride em ambos os sentidos até que toda a molécula esteja replicada.

Finalmente terminamos com os mecanismos de reparação de erros durante a replicação. Dada existência de um pequeno número de erros detectados e uma grande fidelidade de replicação levou investigadores a desconfiar da existência de factores poderiam estar a diminuir os erros da replicação. A resposta a esta dúvida veio a ser esclarecida através da observação da existência de uma das acções das enzimas X polimerases I e III, na sua acção exonucleásica de 3’ para 5’, retirando nucleotídeos em direcção oposta àquela em que funciona a polimerase.
Este mecanismo de reparação do ADN é muito importante pelo facto de impedir a perpetuação de um grande número de mutações acumuladas, em novas células.

A capacidade da ADN corrigir erros de replicação na duplicação comprometem toda a espécie, contrariamente a erros na transcrição ou na tradução que comprometem apenas uma proteína de determinada célula.

Como refere Ridley “No início existia a palavra. A palavra não era ADN. Isso veio depois, quando a vida já estava estabelecida, quando já tinha dividido o trabalho entre duas actividades separadas: o trabalho químico e o armazenamento de informação, o metabolismo e a replicação. Mas o ADN contém um registo do mundo, fielmente transmitido através dos tempos até à surpreendente actualidade.”

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