Embora a estrutura do DNA não fosse conhecida, os blocos básicos de construção do DNA já eram conhecidos há muitos anos. Os elementos básicos do ADN tinham sido isolados e determinados de forma bipartida, quebrando o ADN purificado. Estes estudos mostraram que o DNA é composto por apenas quatro moléculas básicas chamadas nucleotídeos, que são idênticas, exceto que cada uma contém uma base de nitrogênio diferente. Cada nucleotídeo contém fosfato, açúcar (do tipo desoxirribose), e uma das quatro bases (Figura 8-4). Quando o grupo fosfato não está presente, a base e a desoxirribose formam um nucleósido em vez de um nucleotídeo. As quatro bases são a adenina, a guanina, a citosina e a timina. Os nomes químicos completos dos nucleotídeos são deoxyadenosine5′-monofosfato (desoxiadenilato, ou dAMP), desoxiganosina 5′-monofosfato (desoxiganilato, ou dGMP), desoxitidina 5′-monofosfato (desoxitidilato, ordCMP), e desoxitymidina 5′-monofosfato (desoxitymidilato, ou dTMP). Entretanto, é mais conveniente referir-se apenas a cada nucleotídeo pela abreviação de sua base (A, G, C, e T, respectivamente). Duas das bases, adenina e guanina, são semelhantes em estrutura e são chamadas de purinas. As outras duas bases, a citosina e a guanina, também são semelhantes e são chamadas de pirimidinas.
Figure 8-4
Estrutura química dos quatro nucleotídeos (dois com bases purinas e dois com bases pirimidinas) que são os blocos fundamentais de construção do DNA.O açúcar é chamado de desoxirribose porque é a avariação de um açúcar comum, a ribose, que tem mais um oxigênio (mais…)
Após o papel central do DNA na hereditariedade ter ficado claro, muitos cientistas se propuseram a determinar a estrutura exata do DNA. Como é que uma molécula com uma gama tão limitada de componentes diferentes pode armazenar a vasta gama de informações sobre todas as estruturas primárias da proteína do organismo vivo? O primeiro a conseguir juntar os blocos de construção e encontrar uma estrutura de ADN razoável – Watson e Crickin 1953 – trabalhou a partir de dois tipos de pistas. Primeiro, Rosalind Franklin e Maurice Wilkinshad reuniram dados de difração de raios X sobre a estrutura do DNA. Nesses experimentos, os raios X são queimados nas fibras de DNA, e a dispersão dos raios da fibra é observada capturando-os em filme fotográfico, onde os raios X produzem manchas. O ângulo de dispersão representado por cada ponto no filme dá informações sobre a posição de um átomo ou de certos grupos de átomos na molécula de DNA. Este procedimento não é simples de realizar (ou de explicar), e a interpretação dos padrões de manchas é verídica. Os dados disponíveis sugerem que o DNA é longo e magro e que tem duas partes semelhantes que são paralelas entre si e correm ao longo do comprimento da molécula. Os dados dos raios X mostraram que a molécula é helicoidal (em espiral). Outras irregularidades estavam presentes nos padrões de manchas, mas ninguém ainda havia pensado em uma estrutura tridimensional que pudesse explicar apenas esses padrões de manchas.
O segundo conjunto de pistas disponíveis para Watson e Crick veio do trabalho feito vários anos antes por Erwin Chargaff. Estudando uma grande seleção de DNAs de diferentes organismos (Tabela 8-1), Chargaff estabeleceu certas regras empíricas sobre as quantidades de cada componente do DNA:
Tabela 8-1
Propriedades molares de bases* em DNAs de várias fontes.
A quantidade total de nucleotídeos pirimidina (T + C) é sempre igual à quantidade total de nucleotídeos puros (A + G).
A quantidade de T é sempre igual à quantidade de A, e a quantidade de C é sempre igual à quantidade de G. Mas a quantidade de A + T não é necessariamente igual à quantidade de G + C, como pode ser visto na última coluna da Tabela 8-1. Esta razão varia entre organismos diferentes.
Hélice dupla
A estrutura que Watson e Crick derivam destas pistas é uma hélice dupla, que se assemelha bastante a duas molas de cama interbloqueadas. Cada mola de leito (hélice) é uma cadeia de nucleotídeos mantidos juntos por ligações fosfodiéster, na qual um grupo fosfato forma uma ponte entre os grupos -OH em dois resíduos de açúcar adjacentes. As duas “crias de leito” (hélices) são mantidas juntas por ligações de hidrogénio, em que dois átomos de electrões “partilham” um próton, entre as bases. As ligações de hidrogênio se formam entre átomos de hidrogênio com uma pequena carga positiva e os átomos aceitáveis com uma pequena carga negativa. Por exemplo,
Cada átomo de hidrogênio no grupo NH2 é ligeiramente positivo (δ+) porque o átomo de nitrogênio tende a atrair os elétrons da ligação N-H, deixando assim o átomo de hidrogênio ligeiramente curto de elétrons. O átomo de teoxigênio tem seis elétrons não ligados em sua casca externa, tornando-o levemente negativo (δ -). Uma ligação de hidrogênio se forma entre um H e as ligações de O.Hidrogênio são bastante fracas (apenas cerca de 3% da força da ligação química acovalente), mas esta fraqueza (como veremos) desempenha um papel importante na função da molécula de DNA na hereditariedade. Um outro fato químico importante: a ligação de hidrogênio é muito mais forte se os átomos participantes estiverem “apontando um para o outro” nas orientações ideais.
As ligações de hidrogênio são formadas por pares de bases e são indicadas por linhas pontilhadas na Figura 8-5, que mostra uma parte desta estrutura emparelhada com as hélices desenroladas. Cada par de bases é composto por uma base onepurina e uma base pirimidina, emparelhadas de acordo com a seguinte regra: Pares com C, e A pares com T. Na figura 8-6, uma imagem simplificada do enrolamento, cada um dos pares de bases é representado por um “pau” entre as “fitas”, ou os chamados ossos de retro-fosfato de açúcar das correntes. Na figura 8-5, note que as duas espinhas dorsais correm em direcções opostas; são assim ditas como sendo antagónicas, e (por razões aparentes na figura) uma chama-se o cordão 5′ → 3′ e a outra the3′ → 5′ cordão.
Figure 8-5
A dupla hélice de ADN, desenrolada para mostrar as espinhas dorsais do cana-de-açúcar-fosfato (azul) e do par de base (vermelho). As extremidades de 5′ e 3′ são nomeadas para a orientação de the5′ e 3′ átomos de carbono (mais…)
Figure 8-6
Um modelo simplificado mostrando a estrutura helicoidal do DNA. Os paus representam os pares de bases e as fitas representam os ossos de retro-fosfato de açúcar das duas cadeias antiparalelas. As várias medidas são dadas em angstroms (1 Å = 0,1 (mais…)
A dupla hélice contabilizou bem os dados da radiografia e amarrou muito bem com os dados de Chargaff. Estudando modelos que eles fizeram da estrutura, Watson eCrick perceberam que o raio observado da dupla hélice (conhecida a partir dos dados de raios X) seria explicado se uma base purina sempre emparelhasse (por hidrogênio) com uma base pirimidina (Figura8-7). Tal emparelhamento seria responsável pela regularidade (A + G) = (T + C) observada por Chargaff, mas preveria quatro possíveis emparelhamentos: T—A, T—G,C—A, e C—G. Os dados de Chargaff, entretanto, indicam que os pares T somente com os pares A e C somente com G. Watson e Crick mostraram que somente estes dois pares têm as formas complementares necessárias de “fechadura e chave” para permitir a ligação eficiente do hidrogênio (Figura 8-8).
Figure 8-7
O emparelhamento de purinas com pirimidinas contabiliza exatamente o diâmetro da dupla hélice de DNA determinada a partir dos dados da radiografia. (DeR. E. Dickerson, “The DNA Helix and How It Is Read”. Copyright ©1983 por Scientific American, Inc. (mais…)
Figure 8-8
A ligação de hidrogênio entre A e T e entre G eC. (De G. S. Stent, Biologia Molecular de BacterialViruses. Copyright © 1963 por W. H. Freeman andCompany.)
Nota que o par G-C tem três ligações de hidrogênio, enquanto que o par A-T tem apenas duas. Nós preveríamos que o DNA contendo muitos pares G-C seria mais estável do que o DNA contendo muitos pares A-T. Na verdade, esta previsão é confirmada. A estrutura do DNAstructure explica bem os dados de Chargaff (Figura 8-9), e essa estrutura é consistente com os dados X-raydata.
Figure 8-9
(a) Um modelo de preenchimento de espaço da dupla hélice de DNA. (b) Uma representação desenrolada de um pequeno trecho de pares de nucleotídeos, mostrando comoA-T e G-C emparelhados produzem as proporções Chargaff. Este modelo é de uma de várias formas de DNA, denominado (mais…)
Visão tridimensional da dupla hélice
Em três dimensões, as bases formam estruturas bastante planas, e estas bases planas empilham parcialmente umas sobre as outras na estrutura torcida da dupla hélice.Este empilhamento de bases acrescenta tremendamente à estabilidade da molécula ao excluir moléculas de água dos espaços entre os pares de bases. (Este fenômeno é muito parecido com a força estabilizadora que se pode sentir quando se espreme duas placas de vidro juntas debaixo d’água e depois se tenta separá-las). A forma A é menos hidratada que a forma B e é mais compacta. Acredita-se que a forma B do ADN é a forma mais frequentemente encontrada nas células vivas.
O empilhamento dos pares de bases na dupla hélice resulta em dois sulcos nos ossos traseiros do açúcar-fosfato. Esses sulcos são chamados de sulcos maiores e menores e podem ser facilmente vistos no modelo de preenchimento de espaço (tridimensional) na Figura8-9a.
Implicações da estrutura do DNA
Elucidação da estrutura do DNA causou muita excitação na genética (e em todas as áreas da biologia) por duas razões básicas. Em primeiro lugar, a estrutura sugere uma forma anóbica na qual a molécula pode ser duplicada, ou replicada, na medida em que cada base pode especificar sua base complementar por ligação de hidrogênio. Esta propriedade essencial de uma molécula genética tinha sido um mistério até este momento. Em segundo lugar, a estrutura sugere que talvez esta frequência de pares de nucleotídeos no DNA dita a seqüência de aminoácidos na proteína organizada por aquele gene. Em outras palavras, algum código genético sortof pode escrever informação no DNA como uma seqüência de pares de nucleotídeos e depois traduzi-la para uma linguagem diferente de seqüências de aminoácidos em proteínas.
Esta informação básica sobre o DNA é agora familiar a quase qualquer um que tenha lido livros de abiologia na escola primária ou secundária, ou mesmo revistas e jornais.Mas tente colocar-se de volta ao cenário em 1953 e imagine a excitação.Até então, a evidência de que o DNA desinteressante era a molécula genética tinha sido decepcionante e desencorajadora. Mas a estrutura Watson-Crick do DNAsuddenly abriu a possibilidade de explicar dois dos maiores “segredos” da vida. James Watson contou a história desta descoberta (do seu próprio ponto de vista, fortemente questionado por outros participantes) num livro fascinante chamado The Double Helix, que revela a intrincada interação de choques de personalidade, insights inteligentes, trabalho duro e simples sorte em avanços científicos tão importantes.
Estruturas alternativas
Além das formas A e B de DNA, uma nova forma foi encontrada em cristais de DNA sinteticamente preparado que contêm G’s e C’s alternados na mesma faixa. Esta forma de ADN Z tem uma espinha dorsal em ziguezague e gera uma hélice de aleft-hand, enquanto que tanto o ADN A como o B formam hélices de mão direita.