A origem da dupla hélice DNA

A origem da dupla hélice DNA

Tamanho da molécula de DNA

DNA, como proteínas, é uma linha fina longa na sua estrutura primária. Uma molécula de DNA pode ser centenas de vezes mais longa do que o diâmetro da célula, da qual faz parte. Isto exige que  seja dobrado  e enrolado ou torcido em torno de si mesmo de modo que possa caber na célula. Uma planta ou animal multicelular terá mais DNA por célula, uma vez que é necessária mais informação codificada. Na célula humana, o DNA é dividido em 46 cromossomas. O comprimento total de todo esse DNA em uma célula é de cerca de 2,00 mts! 4 Estima-se que o conteúdo total de DNA em seu corpo  abrange a distância do sistema solar! 5


Identificando as condições que conduzem à síntese de ácidos nucleicos robusto tem sido muito mais difícil. 1 Em primeiro lugar, existem vários componentes quimicamente distintos que são necessários: as bases nucleotídicas, as porções de açúcar, e o esqueleto de fosfato. Embora adenina é sintetizado de forma eficiente a partir de misturas de cianeto de hidrogénio e amoníaco, as outras bases (G, C e U) são muito menos prontamente sintetizados. Pré-biótico síntese do anel de açúcar, ribose, apresenta um desafio significativo química, tal como formação da ligação glicosídica entre as bases e os açúcares.

Evidências da bioquímica não fornecem muitas pistas para explicar a evolução da pirimidina e síntese de purinas. 2



a origem das seguintes partes deve ser explicado:

Os nucleótidos:

adenina (A) - uma purina
citosina (C) - uma pirimidina
guanina (G) - um purina
timina (T), - uma pirimidina

- A formação da estrutura de semelhante a uma escada, a dupla hélice espiral
- Por que as fitas individuais estão correndo em direções opostas
- A espinha dorsal composta de (desoxi-ribose) molecular de açúcar
- Os grupos de fosfato que liga o deoxi-ribose. (Também chamado de 3'-5 'fosfodiéster)
- A montagem e a síntese da primeira estrutura

Estrutura do DNA - Ajuste fino e otimização

Sequências altamente repetitivas  de nucleótidios não têm a estabilidade e mutam rapidamente. No entanto, um estudo envolvendo o genoma de organismos diferentes na Universidade da Califórnia, sugere que a utilização de codons nos genes é realmente destinado a evitar o tipo de repetição que leva a sequências instáveis! Outras pesquisas indicam que o uso de códons em genes também  maximiza a precisão da síntese de proteínas no ribossomo.

Além disso, os componentes que compreendem os nucleotídios também parecem ter sido cuidadosamente escolhidos tendo em conta uma performance melhorada. Os nucleótidos que formam os cordões da estrutura de DNA são moléculas complexas que consistem de uma porção tanto de fosfato quanto de uma nucleobase (adenina, guanina, citosina ou timina) juntando-se a um açúcar de cinco carbonos (desoxirribose). No RNA, a ribose de açúcar de cinco carbonos substitui desoxirribose.

O grupo  fosfato  liga  um nucleotídio a desoxirribose do outro para formar a espinha dorsal da cadeia de DNA. As nucleobases formam os " degraus da escada ", quando as duas vertentes alinham e torcem para formar a estrutura de dupla hélice clássica.

Sequências deliberadas


Uma relação um para um não pode existir entre os quatro nucleotídeos do DNA e os vinte aminoácidos utilizados para montar polipéptidos. Para ultrapassar esta incompatibilidade, a célula usa grupos de três nucleótidos (codons) para especificar vinte aminoácidos diferentes. Cada tripleto de nucleótidos, ou códon, especifica um aminoácido. Há sessenta e quatro códons possíveis que podem ser utilizados para especificar os vinte aminoácidos. Por causa do excesso , no entanto, mais do que um códon pode corresponder ao mesmo aminoácido. Na verdade, até seis códons diferentes especificam alguns amino ácidos-outros são atribuídos a  apenas um. Por causa que  alguns códons são redundantes, a sequência de aminoácidos para uma dada cadeia polipeptídica pode ser especificada por várias sequências de nucleótidos diferentes. Estudos recentes indicam que a célula não faz uso de códons aleatoriamente redundantes para especificar um aminoácido particular numa cadeia polipeptídica. Em vez disso, parece haver uma lógica por trás de utilização de códons nos genes. Os bioquímicos já sabem há algum tempo que sequências de nucleotídeos altamente repetitivos são instáveis ​​e facilmente sofrem mutações. O tipo mais comum de mutação de sequências repetitivas é a inserção e / ou deleção de um ou mais nucleotídeos. Estas mutações são devastadoras. Eles quase sempre resultam na produção de cadeias polipeptídicas altamente defeituosos. Uma pesquisa com os genomas de diversos organismos por pesquisadores da Universidade da Califórnia, em San Diego, indica que a utilização de códons nos genes é projetado para evitar o tipo de repetição que leva a sequencias instáveis.  Outros estudos indicam igualmente que a utilização de códons em genes também são configurados para maximizar a precisão da síntese das proteínas no ribossomo.

Os cientistas sabem há muito tempo que uma miríade de açúcares e inúmeras outras nucleobases poderiam ter concebivelmente ter se tornado o meio de armazenamento de informação da célula (DNA). Mas por que as subunidades de nucleotídeos do DNA e RNA consistem em estes componentes particulares? Os fosfatos podem formar ligações com os dois açúcares simultaneamente (chamadas ligações fosfodiéster) a ponte dois nucleótidos, mantendo uma carga negativa. Isto faz com que este grupo químico é perfeitamente adequado para formar uma espinha dorsal estável para a molécula de DNA. Outros compostos podem formar ligações entre dois açúcares, mas não são capazes de reter uma carga negativa. A carga negativa no grupo fosfato confere a espinha dorsal do DNA  a estabilidade, dando-lhe assim uma proteção de clivagem por moléculas de água reativos. Além disso, a natureza intrínseca das ligações fosfodiéster também está bem afinada. Por exemplo, a ligação que une a fosfodiéster de açúcar da ribose de RNA poderia envolver a 5 'OH de uma molécula de ribose, tanto com o 2' OH ou 3 'OH da molécula de ribose adjacente. RNA faz uso de 5 'para 3' de ligação exclusivamente. Como se constata, as ligações 5 'para 3' conferem muito mais estabilidade à molécula de RNA que uma conexão por exemplo de   5 'a 2'.




Estudos recentes indicam que, como as proteínas, as características estruturais do DNA também são excepcionais. DNA consiste em duas moléculas semelhantes a uma cadeia (oligonucleotídios) que torçem em torno de si para formar dupla hélice do DNA . A maquinaria da célula forma cadeias polinucleotídicas juntando e ligando quatro moléculas de subunidades diferentes chamadas nucleotídeos. Os nucleotídeos utilizados para construir as cadeias de DNA são adenosina (A), guanosina (G), citidina (C), e timidina (T). DNA abriga a informação necessária para fazer todos os polipeptídeos usados pela célula. A sequência de nucleótidos em cadeias de DNA especifica a sequência de aminoácidos de cadeias polipeptídicas. Os cientistas referem-se a esta sequência de nucleotídeos como um gene.

Componentes escolhidos a dedo 3

A sequência de nucleótidos não é a única característica que evidencia otimização do DNA. Os componentes que compõem os nucleotídios  também parecem ter sido cuidadosamente escolhidos para um desempenho insuperável. 

Por qué deoxyribose e ribose servem como constituintes do esqueleto do RNA e DNA respectivamente ?  Ambos são açúcares de cinco carbonos que formam anéis de cinco membros. É possível fazer os análogos de DNA utilizando uma ampla gama de diferentes açúcares que contêm quatro, cinco e seis átomos de carbono que podem formar cinco e anéis de seis membros. Mas estas variantes possuem propriedades indesejáveis ​​de DNA, em comparação com DNA e RNA. Por exemplo, alguns análogos de DNA não formam hélices duplas. Outros formam, mas as cadeias de nucleotídeos querem interagir com muita ou pouca força, ou eles exibem seletividade inadequada em suas associações. Além disso, análogos de DNA feitos a partir de açúcares que formam anéis de 6 membros adotam muitas conformações estruturais inadequadas. Neste caso, torna-se extremamente difícil para a maquinaria da célula  executar adequadamente a replicação do DNA e a transcrição. Outros estudos mostram que desoxirribose fornece exclusivamente o espaço necessário na região da espinha dorsal da hélice dupla do DNA para acomodar as grandes nucleobases. Nenhum outro açúcar cumpre este requisito.

Ribose é o único componente de açúcar de ácidos nucleicos. A escolha se explicou utilizando modelos moleculares e, eliminando a maior parte dos outros açúcares comuns olhando para a sua estrutura química e prevendo como eles se encaixariam num modelo de ácido nucleico. As comparações das conformações e configurações de ribose pentoses indicam que o uso de ribose não é aleatorio, mas a única escolha possível, desde γ-D-ribose melhor se adapta à estrutura de formas fisiológicas de ácidos nucleicos. Em outros nucleótidos contendo arabinose, xilose, ou lixose ou, o C 2'-OH e / ou a C3'-OH estão acima do anel furanose, causando interferência estérica com a base e o volumoso grupo C 5'-OH.

Por algum tempo, os bioquímicos já sabem por que desoxirribose foi selecionada  para uso em DNA,  e  ribose para RNA. O principal papel do DNA é o armazenamento de informações. É por isso que o DNA tem de ser uma molécula estável. Incorporação de ribose no DNA faria esta molécula inerentemente instável. A 2'OH de ribose pode catalisar a clivagem da estrutura açúcar-fosfato do DNA. A hidrólise de RNA é uma reação na qual uma ligação de fosfodiéster no esqueleto açúcar-fosfato de RNA é quebrada, a clivagem da molécula de RNA. O RNA é susceptível a esta hidrólise catalisada por base, porque o açúcar ribose no RNA tem um grupo hidroxilo na posição 2'. Esta característica faz com que o RNA seja quimicamente  instável em relação a DNA, que não tem esse grupo 2' OH e, assim, não é  suscetível a hidrólise catalisada pelas bases. Esta não é uma preocupação, no entanto, para deoxyribose porque lhe falta o grupo 'OH  2. No entanto, a ribose é bem adequada para o RNA, onde um certo grau de instabilidade é preferível. Uma das funções do RNA é para mediar a transferência de informação a partir das sequências de nucleotídios de DNA para as sequências de aminoácidos das proteínas. A célula de máquinas de cópias de mRNA a partir de DNA quando a célula necessita da proteína codificada por um gene particular alojada no DNA. Uma vez produzido, mRNAs continuam a dirigir a produção de proteínas no ribossomo até maquinaria da célula quebrar as moléculas de mRNA . Felizmente, moléculas de mRNA podem permanecer intactas apenas por um breve período de tempo, em parte por causa da quebra da espinha dorsal ( esqueleto ) de  açúcar-fosfato mediada pelo grupo 2"OH . O curto tempo de vida de mRNAs serve bem a célula. Se mRNAs fossem persistir  indevidamente ,  estas moléculas iriam dirigir a produção de proteínas no ribossoma para além do ponto necessário para a célula. Como desoxirribose e ribose, as nucleobases (adenina, guanina, citosina, timina e / uracilo) encontradas no DNA e RNA parecem ser as melhores escolhas possíveis. Por exemplo, uma pesquisa recente demonstra que estes nucleobases particulares exibem propriedades fotofísicas ideais. Radiação UV emitida pelo sol provoca danos no DNA e RNA. Os efeitos destrutivos destes comprimentos de onda eletromagnética se originam em grande parte a partir da absorção desta radiação pelos nucleobases.

Apesar que DNA e RNA rotineiramente sofrem danos fotofísicas, poderia ser muito pior. Verifica-se que as propriedades óticas das bases encontradas na natureza minimizam dano induzido por UV.18 Essas nucleobases absorvem a radiação UV maximalmente em comprimentos de onda, os mesmos que são mais eficazmente protegidos pelo ozono. Além disso, as estruturas químicas das nucleobases de DNA e RNA causam a radiação UV de ser eficientemente  irradiada para fora depois de ter sido absorvida, o que limita a possibilidade de danos. 

1) Biologia Molecular: Princípios de Genoma página Função 61
2) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4390864/
3) Cell's design, Fazale Rana
4) Philip Handler, ed., Biology and the Future of Man (New York: Oxford University Press, 1970), p. 134.

5)  Kendrew, The Thread of Life, p. 63.

Por que uma hélice? 1

DNA é feito de três componentes: fosfatos, açúcares e bases, e estes componentes  são ligados entre si de uma forma quimicamente particular. Ora, o fosfato é muito solúvel na água. Se  agricultores usam muito fosfato na  terra como fertilizantes, uma parte do fosfato foge para as valas e rios próximos, causando algas a crescer descontroladamente e assim matam os peixes. Os fosfatos são muito solúveis em água. Os açúcares são também solúvel em água. Não haveria nenhuma razão de  colocar açúcar no café ou chá, se não fosse solúvel: se ficasse apenas na parte inferior da xícara, não iria adocicar o liquido. Assim, os açúcares, assim  como o fosfato, dissolvem na água. E as bases? Nenhuma das bases, guaniná, adenina, citosina, e timina (ou uracil) dissolvem na água. O espaço em nossas células que não é ocupado por componentes como RNA, DNA, proteínas , membranas etc. é cheio de água.  O espaço no qual as nossos células não é ocupada por componentes importantes, tais como ADN, ARN, e enzimas, está cheio de água. Esta água não é  toda acídica ou alcalina. Para usar um termo técnico, é  'pH neutro'. Segue-se, portanto, que as bases são praticamente insolúveis no meio aquoso de nossos corpos. A solubilidade na água das bases não representa nenhum problema, pois elas ficam solúveis na água uma vez que são ligadas ao açúcar e fosfato formando nucleotídios, os blocos de construção de RNA e DNA.

Mas esta insolubilidade põe restrições fortes na conformação global de qualquer fita de DNA ou RNA comprida  na solução. Para uma tal molécula ser estável em água com pH neutro, as bases tem que dobrar para o centro de uma estrutura dobrada, de modo a evitar a água; enquanto os açúcares e fosfatos, sendo que ambos são solúveis  na água, ficam do lado de fora. Na verdade, é justamente isto que acontece. DNA constitui uma espiral ou hélice em virtude da baixa solubilidade das bases na água.

Nós sabemos da química elementar que  a distância entre açúcares adjacentes ou fosfatos na cadeia de DNA é 6A (ou 0,6 nm) no caso habitual . Não pode ficar muito maior do que 6.5Å ou menor que 5,5 Å, ou então os  laços entre os átomos vão ser fortes demais. A espessura da parte plana de uma base de DNA é de 3,3 Å, e este tamanho não pode mudar muita coisa, porque as bases são quimicamente rígidas e inflexíveis com ligações fortes entre os átomos. Isso nos deixa com um "buraco" de 2.7A entre as bases, que alguns objetos gordurosos (e definitivamente não água) teriam que preencher, caso contrário, iria ficar  um vácuo. Em resumo, as bases são ligadas a uma cadeia açúcar-fosfato que é duas vezes mais longa do que a espessura das  bases em si ( ou seja, enquanto a distancia de um elemento açúcar-fosfato tem 6Å, a largura da base tem 3,3 Å ).



Como podemos dobrar as bases insolúveis  para o centro da molécula do DNA onde podem evitar a água, e , ao mesmo tempo, fechar os buracos ?  A forma mais óbvia seria uma escada. Um segmento de tal escada hipotética é desenhado na figura a seguir:



a) A escada inclinada, sem intervalos entre as bases pareadas. A geometria plana desta escada é mostrada na parte (b).

As duas cadeias correm em direções opostas, por razões que iremos elucidar a seguir. Uma vez que as cadeias de açúcar-fosfato são inclinadas no ângulo de 30°  em relação à horizontal, em seguida, os furos desaparecem, como mostrado. A chave para a geometria é mostrado na Fig. (b), onde descrevemos com precisão a estrutura. Nossa inclinação-escada parece perfeitamente satisfatório como uma forma de fechamento das distancias entre as bases de modo a excluir água. Mas não é a mesma conformação adotada pelo DNA. DNA toma a forma de uma espiral ou hélice. De fato, a hélice dupla do DNA é nada mais do que uma escada torcida. A solução adotada no DNA é dessa forma, as bases com 3.3A continuam separadas mediante o açúcar-fosfato que juntos tem uma distância de 6Å, mas mediante esta torção, o espaço entre uma base e outra é eliminado.


(a) de empilhamento de pares de bases como na escada inclinada da Figura anterior.
(b) de empilhamento de pares de bases por meio de torção helicoidal.

Por que o DNA forma uma hélice e não  uma inclinação-escada? O nosso modelo atual é demasiado cru para responder a esta pergunta de forma convincente. Quando construímos um modelo mais preciso que mostra os átomos individuais, descobrimos que a inclinação-escada leva a muitos contatos próximos inaceitáveis entre átomos vizinhos, e por isso este modelo tem que ser abandonado. No entanto, a escada inclinada é uma ilustração útil para ajudar a imaginar a estrutura interna do DNA, porque tem várias características geométricas importantes da hélice do DNA real, e ainda se encontra numa dimensão plana e é, portanto, fácil de visualizar.

Agora, quando vamos para três dimensões, e considerarmos a forma de uma hélice do DNA, a geometria é quase a mesma que na nossa escada inclinada acima. Podemos tomar uma série das torcidas, unidades de dois pares de bases mostrado na Figura abaixo(b), e empilhá-las em cima de si para obter um modelo adequado , de dupla hélice do DNA. A Figura (a) abaixo mostra um modelo  esquematicamente.



Imagem acima: Cadeias de açúcar-fosfato enrolada helicoidalmente em torno de um cilindro:  
(a), anéis de açúcar são desenhados como círculos sombreados ou cheios, enquanto o fosfato são linhas finas.
(b), os fosfatos são desenhados como círculos abertos, enquanto os açúcares são linhas finas 
(c), a vista é para baixo ao longo eixo do cilindro, olhando ao longo da linha tracejada na parte (b).

Somente as primeiras duas pares de bases são mostradas, mas depois mostramos todas as partes das cadeias de açúcar-fosfato. Estas cadeias enrolam como espirais em torno na superfície cilíndrica de raio com 9 Å , e cada anel de açúcar é representado por um ponto.  (b) visão lateral do cilindro para apenas uma das duas cadeias de açúcar-fosfato. Aqui a fosfatos, P0, P1, P2, etc. - contando a partir da parte superior - são desenhados como círculos abertos, e os mesmos comprimentos de 6.0 A, 3.3 A, e 5a  que eram encontrados na nossa escada inclinada caracterizam o caminho destes fosfatos no espaço. Finalmente, uma vista de cima ao longo do eixo vertical do cilindro de DNA é mostrada em (c). Mais uma vez, por uma questão de simplicidade, apenas uma cadeia é mostrada, e os fosfatos ao longo dela são rotulado P0, P1, ..., P10. Cada fosfato sucessivo nesta vista fica 3.3 Å ​​mais distante de nós do que o anterior. A cadeia é mostrada com uma pausa entre P10 e P0,  porque P11 situa-se atrás em P0 deste ponto de vista: o 11 3.3a 36Å mais distante de nós, quando olhamos  para baixo.

O ponto crucial aqui é que nós aprendemos algo importante sobre a estrutura interna da hélice. Simplesmente através do estudo das dimensões das bases e da cadeia de açúcar-fosfato , e sabendo que as bases  são insolúveis em água (e, portanto, deve empilhar diretamente uma em cima da outra), fomos capazes de determinar que DNA forma uma hélice com cerca de 11 fosfatos por turno.

Duas cadeias de uma hélice dupla do DNA correm em direções opostas ou 'antiparalelas' porque hélices duplas "paralelas" não são encontradas na natureza. Em grande parte, as interações ou emparelhamentos entre as bases no núcleo da hélice exigem que DNA que ocorre naturalmente  seja feita a partir de cadeias antiparalelas. Alguns cientistas fizeram moléculas de DNA curtas feitas através de síntese química, em que as bases só podem emparelhar uma com  outra quando as cadeias estão em sentido paralelo: mas desta forma são muito menos estáveis do que quando as cadeias estão da maneira usual, antiparalelas, como encontrado na natureza.

1. http://www.fmf.uni-lj.si/~podgornik/download/Calladine.pdf

50. DNA: mero acaso ou um show de inteligência química?

Fomos planejados




Figura 1. Do núcleo da célula, passando pelos cromossomos e as histonas, até a fantástica molécula de DNA.

O DNA (ácido desoxirribonucleico) é um das obras de maior sofisticação em termos de engenharia bioquímica nanomolecular e cibernética deste planeta (Figura 1).1 É difícil negar o show multidimensional aparentemente indesculpável de design químico inteligente do DNA, uma das mais eloquentes evidências usadas para sustentar a tese que uma inteligência máxima orquestrou a Vida. Pois essa macromolécula armazena uma avalanche de informação nanomolecular da mais alta eficiência e otimização. A dupla hélice da molécula de DNA - uma das maiores descobertas científicas - se constitui em uma obra de arte sem igual em nanotecnologia da informação. E ainda mais espetacular foi descobrir a imensa inteligência de programação registrada via moléculas e suas interações e em seus vários códigos múltiplos multicamadas em arquitetura algorítmica "top-down" [de cima para baixo] encriptada em estratégias de compactação de informação. Quando James Watson e Francis Crick desvendaram em 1953 a estrutura "arquitetônica" do DNA, o mundo ficou assombrado com sua beleza, maestria e funcionalidade. Percebeu-se que a Vida se fundamentava não em um "gel de protoplasma", como pensavam na época de Darwin, mas em uma cidade nanomolecular automatizada - a célula - que tinha no seu núcleo um software registrado em uma macromolécula imensa toda enovelada em cromossomos, mas que, se esticada fosse, alcançaria em humanos cerca de 2 metros de comprimento. Uma molécula que carrega consigo comandos inteligentes que definem muito das propriedades nano e macroscópicas de cada ser vivo.
Mas foi em 2001 que o projeto do Genoma Humano desvendou outros segredos, ainda mais espetaculares, sobre o DNA. Além de sua beleza estrutural, o DNA foi planejado para armazenar e transmitir informação, de uma célula para sua filha, e com muita maestria, através do melhor de todos os códigos, otimizado ao extremo para ser compacto, eficiente e evitar erros de leitura e cópia. A informação que o DNA carrega usa uma linguagem semântica, registrada em um código digital genético nanomolecular encaixado em sua hélice dupla. E o encaixe e as interações químicas são perfeitos, e se dá através de quatro moléculas engenhosamente escolhidas para este fim. São quatro moléculas heterocíclicas nitrogenadas, o quarteto ATGC, sendo duas monocíclicas e duas bicíclicas, e duas que foram duas ligações de hidrogênio entre si, e duas que foram três. No DNA humano, bits de informação química são registrados usando essas quatro bases nitrogenadas organizadas em um arranjo preciso sequencial de cerca de 3,2 bilhões de bases, ou seja, cerca de 3.200.000.000 delas. Até mesmo o DNA de bactérias unicelulares contém uma enorme quantidade dessas bases enfileiradas. E ao contrário do que a evolução previu como "lixo", e exatamente como teóricos da TDI predisseram em 1998 como informação pura, o DNA carrega em si tanto a informação genética como o manual de seu uso: a metainformação - a informação de como usar esta informação registrado nesse que foi um dia chamado de "DNA lixo". Ou seja, dois tipos de informaçao diferentes mas interdependentes coexistem na mesma molécula de DNA.
A lógica química da macromolécula de DNA. Tudo é química, e o DNA é um "show da química". O DNA não é uma única molécula, mas é formado por duas macromoléculas, que se apresentam como "fitas" macromoleculares. Essas duas fitas foram o DNA ao se entrelaçarem em um balé ajustado nanometricamente de forças intramoleculares levando a um arranjo de dupla-hélice tipo escada em espiral (Figura 1). Cada fita é constituída de um esqueleto formado por ligações intercaladas de um grupo fosfato e moléculas de um açucar cíclico (D-dexossiribose) ligadas, por sua vez, a uma das quatro bases nitrogenadas heteroaromáticas ATGC que ditam o código da Vida. As quatro bases nitrogenadas - adenina (A), timina (T), guanina (G) e citosina (C) - formam os "degraus" da escada nanomolecular espiralada. Estas bases funcionam então como os bits químicos, ou as "letras" do alfabeto químico genético. Combinadas 3 a 3, estas bases formam o código 4 x 3 da Vida, que se mostra como o mais otimizado, eficiente e compacto código conhecido neste Universo.4 Toda essa parafernália fornece as informações algorítmicas que guiam a formação e funcionamento das células.
As bases nitrogenadas ATGC funcionam, por exemplo, como os bits "0" and "1" do código binário ASCII, que em combinações de 8 a 8 foi criado por outra mente inteligente - o homem - para reger o funcionamento de nossos computadores. Semelhante aos softwares em computadores, portanto, o DNA e seu código genético fornece a linguagem das células. O DNA pode ser visto assim como um "disco rígido"1 formado por átomos que se enfileram por cerca de 2m, e que enovelado nos cromossomos de nossas células (Figura 1), armazena milhares e milhares de Gigabytes de informação desse software fantástico que orquestra a Vida. Mas para que esse emaranhado de "letras" químicas ATGC façam sentido e sejam úteis, precisa ser "lido" e ai entram em cena os RNA, para levar a informação até os ribossomos (Figura x.y) - única "coisa" nesse planeta que "sabe" a língua da Vida e consegue "ler" o DNA - e entender qual proteína o DNA está requisitando. Sem os RNA mensageiros e essas máquinas nanomoleculares hiper sofisticadas, os ribossomos, todo este emaranhado de letras químicas do DNA não teria significado algum. Ou seja, em si mesmo, o DNA tem zero de informação útil, e o par DNA-ribossomo é requisito primordial indispensável à Vida. Aliás, o par necessita de muita ajuda, dos m-RNA, os T-RNA, e da uma série de enzimas. Um imenso dilema "ovo-galinha" para a Vida, pois tudo funciona em perfeita sincronia e complexidade irredutível.
A inteligência química embutida no DNA e seu código 4 x 3 é extraordinária, e otimizadas à exaustão. Mas o mais intrigante se vê em toda a maquinaria química e o balé perfeitamente orquestrado de processos que forma nas células o sistema de transmissão e tradução desta informação. O pareamento perfeito e seletivo das quatro bases nitrogenadas AT e GC na dupla hélice via duas ou três ligações de hidrogênio faz com que, quando o DNA é desenovelado e as duas fitas da dupla hélice se separam, cada uma seja uma cópia "em negativo" perfeita da outra. Assim, as duas fitas diferentes carregam consigo a mesma informação original, e podem transmiti-la à nova célula que se forma. Basta agora reproduzir o pareamento original que a dupla hélice é duplica com perfeição nas duas células filhas. Para dar um exemplo, suponha que você tenha uma pequena fita de DNA com a sequência ATGC pareada com TACG, ou seja: ATGC---TAGC. Quando o "zíper" do DNA se abre, temos duas fitas livres ATGC e TAGC que podem então, cada uma, seguindo a regra de pareamento, se duplicar em duas duplas hélices idênticas ATGC---TAGC. Simplesmente fantástico. Sinais de um acidente natural ou de uma inteligência estonteante?2




Figura 2. DNA. Um espetáculo estonteante de química e informação inteligente. A transformação dessas "letras" químicas em informação útil exige um arsenal de nanorobôs moleculares, a começar pelas DNA polimerase, ligase, girase, helicase, grampos deslizantes & cia.

Toda esta "parafernália" nanomolecular do DNA e sua lógica de funcionamento é ainda pouco conhecida e tem desafiado então - e em muito transcendido - o entendimento humano. E como em qualquer linguagem escrita ou falada, ou como em qualquer software, letras e palavras bem como bits e bytes nada significam em si mesmo. Para ter significado, é preciso preestabelecer um código: uma convenção lógica e inteligível, mas arbitrária, semântica, imaterial, e aperiódica, que seja obedecida, a todo custo, para garantir "a priori" que tudo faça sentido e funcione. O conceito do "tudo ou nada" da Vida parece nítido no DNA. Quem tem olhos e ouvidos, que veja e ouça.
O DNA, portanto, à luz da teoria moderna da informação, fornece uma "assinatura química" de extrema inteligência imaterial abstrata e arbitrária registrada na mais fundamental molécula da Vida. Algumas teorias naturalistas têm proposto uma certa "capacidade de auto-organização" natural das bases nitrogenadas, que ninguém sabe bem onde estaria e como funcionaria, teeia criado o conteúdo de informação inicial nas primeiras moléculas de DNA, ou de seu ancestral, o RNA. Outros assumem que estas forças de auto-organização foram externas ao DNA. Todas estas teorias teriam que assumir, porém, que o material (o DNA e suas bases) usado para transmitir a informação produziu a própria informação que este material transmite. Tal dessesperação é uma falha clara de lógica, e um argumento circular, e portanto uma falácia. A informação do código do DNA é arbitrária, portanto aperiódica, não seguindo lei alguma, o que elimina processos guiados por "leis de auto-organização".
A teoria da evolução tem convencido muitos de que o design da Vida é somente aparente, pois resultaria de fato de processos naturais randômicos não guiados. Mas o DNA e seus códigos múltiplos parecem oferecer uma refutação definitiva a esta interpretação de "aparência", apontando para a necessidade imperiosa de um input imenso de inteligência na concepção desta macromolécula extraordinária. Veja um exemplo: combinadas 3 a 3, as quatro bases nitrogenadas ATGC foram 64 trios (Códons) que codificam o uso sequencial dos 20 aminoácidos na construção das ligações peptídicas das macromoléculas proteicas. São 64 códons para 20 aminoácidos, portanto um aparente exagero. Mas descobrimos recentemente4 que esta redundância se constitui de fato em mais uma estratégia de extrema inteligência de minimização de erros de leitura e controle da velocidade de síntese de ligações para perfeito enovelamento das proteínas, com máxima relação custo/benefício, aumentando a precisão da síntese proteica nos ribossomos.
Mas por que fosfato, e por que uma pentose, e por que estas quatro bases nitrogenadas heterocíclicas específicas no DNA? Existem vários outros açúcares e compostos heterocíclicos nitrogenados, e outros eixos de fixação além do ácido fosfórico que eventualmente poderiam ter sido usados na construção de moléculas similares ao DNA. Por que então no DNA as quatro bases ATGC, um açucar específico - a ribose - e o grupo fosfato foram "escolhidos"?
Por que fosfato? O DNA pode ser visto como um éster derivado do ácido fosfórico: H3PO4, o qual é perfeitamente adequado para o DNA por vários fatores. O grupo fosfato tem a capacidade de se conectar a duas moléculas de açúcar (R) através de dois de seus oxigênios e ainda restardois oxigênios para assim se ionizar na forma de ânion (R1O)(R2O)P(=O)-O- (Figura 2). Esta carga negativa em ressonância com dois átomso de oxigênio é útil tanto para estabilizar a molécula de DNA frente a reação com água (hidrólise), pois forma um escudo via campo elétrico negativo protetor ao redor de toda a dupla hélice -coisa "maluca tipo o campo magnético protetor da Terra - e também para o reter dentro da membrana celular devido sua carga negativa, impedindo que o DNA "escape" do núcleo. Estas propriedades fazem do fosfato o link perfeito para a construção de macromoléculas estáveis e com as propriedades físico-químicas ideais. As reações de fosfato inorgânico são, porém, relativamente lentas, e requerem, na célula, uma série de enzimas para acelerá-las, em muitas ordens de grandeza. O uso de fosfato pelo DNA apresenta uma evidência para a sua orquestração inteligente e, ao mesmo tempo, uma inviabilidade aparentemente "mortal" tipo "ovo-galinha" para a evolução natural da Vida regida por ele. Quem veio primeiro? O DNA (RNA), com suas múltiplas ligações fosfato-açúcar, ou as enzimas que são essenciais para acelerar a formação destas ligações, sem o que o DNA não teria se formado a tempo? Ou seja, quando a destruição do DNA seria mais rápida do que a sua formação? E quem/o que codificou a síntese destas enzimas, que são codificadas pelo próprio DNA? Ainda mais perturbador - para a evolução - é perceber que a natureza intrínseca das ligações específicas fosfodiéster também é finamente ajustada no DNA e no RNA. Por exemplo, as ligações fosfodiéster que conectam a ribose do RNA poderiam envolver tanto o 5’ OH de uma ribose com o 2’ OH ou o 3’ OH da outra ribose. Mas o RNA faz uso exclusivo de ligações 5’-3’, o que sabemos hoje aumenta em muito sua estabilidade quando comparado com ligações 5’-2’. Tacada de mestre!
Por que (dessoxi)rribose? É possível construir análogos de DNA usando uma variedade de açúcares e nao só a ribose ou dessoxiribose da Vida. Por que então foi escolhida a ribose de cinco membros? Descobriu-se que estes análogos de DNA - todos - apresentam propriedades incompatíveis como uma molécula armazenadora de informação. Alguns destes análogos não formam hélices duplas estáveis; em outros as interações intermoleculares das fitas são fortes ou fracas demais, ou a associação não é suficientemente seletiva; outros adotam várias conformações que dificultariam a sua replicação pela maquinaria da célula. A dessoxirribose do DNA é também finamente ajustada para fornecer um espaçamento interno dentro da hélice de cerca de 25 A, espaço este ideal para o encaixe perfeito (Figura 1) de uma base nitrogenada monocíclica (T ou C) e outra bicíclica (A ou G), formando os pares corretos AT e GC. Esse encaixe específico fornece um dos critérios de seletividade química na interação entre as bases nitrogenadas.
Por que o quarteto ATGC? Outra evidência de extrema inteligência na arquitetura química do DNA se verifica na escolha das quatro bases nitrogenadas e nos pares AT e GC. Além de suas estabilidades, e capacidade de se ligar fortemente à ribose pelos NH "heterocíclicos", as bases ATGC fornecem uma estratégia otimizada e de alta genialidade química de elaboração de um código com pareamento e reconhecimento molecular preciso. O par "Gal Costa" se reconhece e interage fortemente porque pode estabelecer entre si três ligações de hidrogênio supramoleculares - as linhas tracejadas da Figura 2. Já o par "Agnaldo Timóteo" forma duas ligações de H entre si, o que estabelece também um reconhecimento molecular preciso. Mas por que então interações GG, AA, TT e CC, que igualmente formariam duas ou três ligações de hidrogênio, não são observadas? Não são pois o arranjo em dupla hélice do DNA, tipo zíper, estabelece uma outra restrição, agora espacial, e de 25 A, dentro da hélice, espaço este que permite somente o encaixe e assim a interação de bases monocíclicas TC (as pirimidinas) com bicíclicas AG (purinas). Uma interação GG, de bases "longas", por exemplo, ocuparia um espaço superior a 25 A e não se encaixaria na dupla hélice, enquanto que uma distância de 25 A seria longa demais para permitir uma interação efetiva entre bases "curtas", CC por exemplo. Ou seja, um show de Engenharia Química!
Por que ribose para o RNA e desoxirribose para o DNA? Outra estratégia muito elegante de ajuste fino de propriedades se verifica na escolha de D-ribose para o RNA e D-desoxirribose para o DNA. O DNA é o que armazena a informação, e o RNA é o que a transmite. Assim, o RNA precisa ser logo destruído, e reciclado. A ribose do RNA é útil, portanto, pois confere ao RNA uma velocidade de hidrólise cerca de 100 vezes maior que o DNA, que é feito de desoxirribose. Mas porque a troca de ribose por desoxirribose causa esta diferença enorme de estabilidade? E qual a estratégia química usada para isto? A resposta é quimicamente fascinante pois a hidrólise do RNA se processa através de um intermediário cíclico com assistência intramolecular da hidroxila na posição 2' da ribose, que se encontra nanometricamente calibrada para ali estar (Figura 2). Reações intramoleculares, via estados de transição de seis membros, sabemos hoje em Química, são bem mais rápidas e assim a hidrólise de RNA via ribose, auxiliada pela hidroxila 2' lá presente, é relativamente rápida. Já para o DNA, a hidroxila 2' foi estrategicamente removida para conferir a ele, com sua desoxirribose, maior estabilidade. Pois a hidrólise do DNA agora não é mais assistida pela hidroxila e precisa então se dar intermolecularmente. Novamente, uma solução que é um verdadeiro "show de química". Quem ou o que colocou a hidroxila lá no RNA, bem na posição 2', e a retirou de lá no DNA? Mero acaso ou design inteligente? Qual a melhor inferência? Seja honesto e me responda à luz dos dados.




Figura 4. Hidrólise de RNA devido a ribose versus a 2-Desoxirribose do DNA.

O DNA com sua estrutura “genial” dupla hélice de dupla fita forma, portanto, a mais eficiente, mais protegida, mais bem calibrada em termos de estabilidade, e mais compacta forma de armazenamento de informação conhecida neste planeta, tudo indica insuperável. Como que um “frozen accident”4 [acidente congelado] poderia ter formado, sem querer formar, uma maravilha nanomolecular como esta? E quem/o que esteve lá para perceber que precisaria selecionar ribose para o RNA, dexosirribose para o DNA, 4 bases com encaixes perfeitos e tamanhos perfeitos, e um fio fosfato estável e protetor via sua ressonância OO de carga negativa, e a o pior: a forma enantiomericamente pura da D-ribose para garantir a coerência 3D da dupla hélice? Como admitiu Philip Ball em um comentário na Nature:2 "In short, the current picture of how and where evolution operates, and how this shapes genomes, is something of a mess." Ou em português: "Resumidamente, nosso entendimento atual de como e onde a evolução opera, e como ela modela genomas (DNA), é uma confusão geral".
Não é só a forma que a informação é guardada, mas o quanto dela lá está que faz o DNA realmente um show de sofisticação. Pois uma única bactéria tem em média, em seu DNA, um conteúdo de informação de cerca de 10 trilhões de bits, o que se compara a 100 milhões de páginas da Enciclopédia Britânica. E tudo isto governado por vários códigos, multidimensionais, semânticos, imateriais. Será que isso “caiu do céu" na forma de "pó estelar”? Teria sido o DNA um acidente, que se congelou, como propos Francis Crick? Ou temos que admitir que o DNA foi feito pronto, pois segundo Pasteur: “somente vida gera vida”? Ou segunfo o bioquímico Jacques Monod, ganhador de premio Nobel que declarou: "omne vivum ex ovo!" Será que o DNA é fruto da evolução química, contrariando Ilya Prigogine, um ganhador de premio Nobel, quando disse: “A probabilidade da evolução química é zero”? Ou temos que concordar com Antony Flew, o mais famoso ateu do século 20, que em 2004 disse: "o DNA fornece um argumento novo e poderosíssimo de Design Inteligente"? E você sabia que quando os algoritimos do programa SETI - aquele de prospectar ETs - são aplicados ao DNA, evidencias claras de uma "mensagem inteligente" - the "wow" signal - é detectada?4
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Referências e Notas
1. "A comparative approach for the investigation of biological information processing: An examination of the structure and function of computer hard drives and DNA" David J D’Onofrio, Gary An Theoretical Biology and Medical Modelling 7, 1, 2010.
2. "Celebrate the unknowns: On the 60th anniversary of the double helix, we should admit that we don’t fully understand how evolution works at the molecular level, suggests Philip Ball". Comentário publicado na Nature, 496, 419, 2013.
3. Stephen Meyer, Signature in the Cell: DNA and the Evidence for Intelligent Design, Harper Collins, August 31, 2009
4. Vladimir I. shCherbak e Maxim A. Makukov. The "Wow! signal" of the terrestrial genetic code, Icarus, Volume 224, Issue 1, May 2013, Pages 228–242.
5. "Extreme genetic code optimality from a molecular dynamics calculation of amino acid polar requirement" Thomas Butler, Nigel Goldenfeld Physical Review E 79, 060901
R,
2009.
6. "The Genetic Code is One in a Million" Sthephen J. Freeland, Laurence D. Hust J. Mol. Evolution 47, 238, 1998.
7. " Early fixation of an Optimal Genetic Code" Sthephen J. Freeland et al. Molecular Biology and Evolution 17, 511, 2000.
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