Estrutura e Replicação do DNA

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Estrutura e Replicação do DNA 
 Antes da estrutura do DNA ter sido elucidada, 
 estudos indicaram que o material hereditário 
 tinha necessariamente três propriedades 
 chave: 
 1. A sua estrutura deve assegurar a 
 replicação �el, uma vez que 
 essencialmente todas as células do 
 corpo de um organismo apresentam a 
 mesma constituição genética; 
 2. Precisa ter um conteúdo informativo 
 que possibilite codi�car a constelação 
 de proteínas expressas por um 
 organismo; 
 3. E embora precise ter uma estrutura 
 estável que possa cumprir essas duas 
 propriedades mencionadas, o DNA 
 também deve ser capaz de mudar em 
 ocasiões raras, tendo em vista as 
 alterações hereditárias cujas 
 mudanças ou mutações possibilitam a 
 evolução biológica. 
 Elucidação 
 A estrutura da molécula de DNA foi decifrada 
 em 1953 por Watson e Crick. 
 Esse grande feito contou com as descobertas 
 e resultados que haviam sido obtidos desde 
 Mendel. Para citar alguns atores importantes 
 e mais recentes nessa história, começo por 
 Avery, MacLeod e McCarty. 
 O EXPERIMENTO DE 
 AVERY-MACLEOD-MCCARTY 
 Resumidamente, acreditava- se naquela época 
 que a molécula responsável pela transmissão 
 da informação genética devia ser composto 
 por proteínas ou pelo ácido 
 desoxirribonucleico, uma vez que ambos 
 estavam entre os constituintes mais 
 frequentes da célula. Parecia o mais lógico 
 que fosse constituído por proteínas, já que há 
 uma enorme variedade delas no organismo e o 
 DNA, por sua vez, aparentava não ser tão 
 interessante, pois era constituído apenas por 
 açúcar, fosfato e bases nitrogenadas. 
 Entretanto, estes três pesquisadores 
 conseguiram provar em 1944 que o princípio 
 da transformação bacteriana, identi�cado 
 pela primeira vez por Gri�ith, em 1927, era 
 decorrente da informação genética passada 
 pelo DNA, uma vez que ao usar enzimas que 
 degradavam proteínas, o princípio 
 transformador continuava alterando, 
 transformando as linhagens bacterianas 
 não-virulentas em virulentas, porém, ao 
 usarem enzimas que dragadavam o DNA,o 
 princípio transformador deixava de operar. 
 Outros pesquisadores envolvidos na 
 elucidação da estrutura do DNA foram 
 Maurice Wilkins físico e cristalógrafo, diretor 
 do laboratório do Kings Co�ege em Londres, 
 onde a cientista Rosalind Franklin, sua 
 colaboradora, também trabalhava com 
 difração dos raios-X e obteve a famosa foto 
 51 - primeira pista segura da estrutura do 
 DNA, embora não seja assim tão evidentes a 
 uma simples olhada, a não ser usando alguns 
 cálculos. Nos Estados Unidos, dois 
 pesquisadores �zeram também grandes 
 contribuições a essa pesquisa, como Erwin 
 Charga�, um austríaco que imigrou para os 
 Estados Unidos no período do nazismo, usou o 
 método da cromatogra�a para separar as 
 quatro bases que integram a molécula de DNA 
 em vários organismos. 
 Em resumo, Charga� identi�cou que a 
 proporção de resíduos de adenina ou de base 
 de adenina equivale aos resíduos de timina, e 
 a quantidade de resíduos de citosina 
 equivalem aos de guanina. Seus achados 
 refutaram a hipótese dos tetranucleotídeos 
 que estabelecia, na época, que as quatro 
 bases existiam em igual proporção no DNA. 
 Também nos Estados Unidos, Linus Pauling, 
 químico extremamente habilidoso em 
 decifrar estruturas moleculares complexas, 
 considerado o pai da ligação química, chegou 
 bem perto de elucidar a questão; foi um alívio 
 aliás para Watson e Crick quando leram o 
 artigo de Pauling que propunha um modelo 
 que já havia sido descartado pelos dois 
 pesquisadores no ano anterior. Ele propôs 
 que a molécula de DNA era tripla hélice e com 
 as bases situadas externamente a molécula. 
 James Watson e Francis Crick se conheceram 
 em 1951 quando eram estudantes de 
 pós-graduação na universidade Cambridge na 
 Inglaterra. Watson, químico norte-americano, 
 e Crick, físico inglês, elucidaram após dois 
 anos a estrutura do DNA ao publicar um 
 artigo na revista Nature, provocando uma 
 revolução em diversos campos da Ciências 
 Composição do DNA 
 Como substância química, o DNA é 
 consideravelmente simples e contém três 
 tipos de componentes químicos: um 
 grupamento fosfato ligado a um açúcar, por 
 sua vez, ligado a uma base nitrogenada. 
 O açúcar no DNA é do grupo das pentoses, 
 composto por cinco átomos de carbono. Esses 
 átomos são designados de 1’ a 5’ para 
 diferenciar dos átomos de carbono presentes 
 nas bases nitrogenadas. O açúcar do DNA é 
 denominado desoxirribose, pois apresenta 
 apenas um átomo de hidrogênio ligado ao 
 carbono 2’; contrariamente à ribose, outra 
 pentose que apresentam um grupo hidroxila 
 na mesma posição, e é o açúcar do ácido 
 ribonucleico, o RNA. 
 Ambos são ácidos nucleicos, uma vez que 
 foram isolados pela primeira vez no núcleo 
 celular, no entanto, o RNA após ser gerado no 
 núcleo da célula eucariota, se move para o 
 citoplasma em um momento especí�co da 
 expressão gênica, enquanto o DNA permanece 
 no núcleo. 
 - Por que ácido nucleico e 
 desoxirribonucleico? 
 Devido ao radical fosfato que é um derivado 
 do ácido fosfórico que está ligado ao carbono 
 5’ da molécula de açúcar. Podem ser 
 incorporados até três radicais fosfato ao 
 carbono 5’ da molécula de açúcar. 
 As quatro bases do DNA são adenina (A), 
 timina (T), citosina (C) e guanina (G). 
 Observe que temos bases com estrutura em 
 forma de 2 anéis: adenina e guanina; e bases 
 de um anel: timina e citosina. As bases de dois 
 anéis são denominadas bases purinas e as de 
 um anel, bases pirimidinas. 
 Elas são as mesmas bases do RNA com 
 exceção da timina que, neste caso, é 
 substituída pela uracila. 
 Quando temos uma base nitrogenada ligada à 
 pentose ou ao açúcar, isso representa um 
 nucleosídeo; ao ser incorporado um 
 grupamento fosfato, forma-se o nucleotídeo 
 que é a estrutura básica dos ácidos nucleicos. 
 ● Base nitrogenada + Pentose = 
 Nucleosídeo 
 ● Nucleosídeo + Fosfato = Nucleotídeo 
 Estrutura do DNA 
 DNA podemos de�nir como uma molécula 
 polimérica. 
 - O que quer dizer uma molécula 
 polimérica? 
 ● Um polímero é uma molécula de cadeia 
 longa que contém inúmeras unidades 
 individuais, chamadas monômeros, 
 unidas em séries. No caso do DNA, 
 assim como no RNA, os monômeros 
 são nucleotídeos. 
 ● O DNA também pode ser de�nido como 
 um polinucleotídeo de cadeia dupla e o 
 RNA como um polinucleotídeo de 
 cadeia única. 
 Formação da Cadeia Polinucleotídica 
 ● As ligações fosfodiéster conectam os 
 nucleotídeos na mesma cadeia. 
 ○ Uma ligação fosfodiéster 
 conecta o átomo de carbono 5’ 
 de uma desoxirribose ao átomo 
 de carbono 3’ da desoxirribose 
 adjacente. 
 Exemplo: 
 DESCRIÇÃO 
 Essa cadeia polinucleotídica tem três 
 nucleotídeos incorporados. Ela inicia com um 
 nucleotídeo cujo carbono 5’ da desoxirribose 
 está ligado ao grupamento fosfato; a cadeia 
 cresce da esquerda para a direita (↘), 
 incorporando o próximo nucleotídeo. 
 ● A polaridade dessa cadeia é 5’ terminal 
 para 3’ terminal ou 5’ para 3’. 
 Podemos observar que há um monofosfato - a 
 forma trifosfatase observada quando o 
 nucleotídeo não está incorporado ao DNA - ao 
 ser incorporado à cadeia polinucleotídica,ele 
 sofre um ataque nucleofílico da hidroxila 
 ligada ao carbono 3’ da pentose e, nesse 
 exemplo, são perdidos dois grupamentos 
 fosfatos, também chamados de pirofosfatos. 
 Esse processo libera água (H 2 O) e prótons, 
 formando a ligação fosfodiéster que une os 
 nucleotídeos na mesma cadeia, conectando o 
 carbono 5’ da desoxirribose do nucleotídeo 
 que acaba de entrar e o carbono 3’ do 
 nucleotídeo, no caso, o carbono 3’ no açúcar 
 do nucleotídeo que já está presente ou 
 incorporado a cadeia. 
 Por �m, temos o fosfato e o açúcar em 
 sequência e as bases em direção oposta, 
 ligadas ao carbono 1’ do açúcar por ligações 
 n-glicosídicas. 
 Estrutura do DNA 
 O DNA é um polinucleotídeo de �ta dupla. 
 Como vimos anteriormente, o açúcar e o 
 fosfato estão situados externamente à 
 molécula e internamente temos as bases 
 nitrogenadas. 
 No esquema, a estrutura em azul representa 
 o arcabouço de açúcar e fosfato e no interior 
 temos as bases nitrogenadas pareadas. 
 - Como as duas cadeias polinucleotídicas 
 são ligadas? 
 Por ligações de hidrogênio ou pontes de 
 hidrogênio entre as bases nitrogenadas. 
 Elas são denominadas nitrogenadas, pois é 
 pela presença desses nitrogênios 
 eletronegativos que são atraídos os prótons 
 de hidrogênio para que se formem as pontes 
 entre as bases. 
 O pareamento é feito entre bases purinas e 
 pirimidinas, ou seja bases de dois anéis e 
 bases de um anel. A adenina sempre pareia 
 com a timina (vice-versa) e há entre elas 
 duas pontes de hidrogênio; ao passo que 
 citosina sempre pareia com guanina 
 (vice-versa) e entre elas há três pontes de 
 hidrogênio: A＝T e C ☰ G. 
 A ligação entre as bases é complementar, 
 desse modo, conhecendo a sequência de uma 
 das cadeias polinucleotídicas é possível 
 inferir a sequência da outra. 
 É mais fácil romper a ligação entre adenina e 
 timina, uma vez que há duas pontes de 
 hidrogênio, do que citosina e guanina, com 
 três pontes. Isso foi comprovado 
 experimentalmente, porque essas ligações de 
 hidrogênio podem ser desfeitas pela 
 temperatura e é necessário uma temperatura 
 mais elevada para desnaturar ou desfazer as 
 ligações de hidrogênio entre citosina e 
 guanina. 
 Outra característica da molécula de DNA 
 importante é que as cadeias polinucleotídicas 
 têm a polaridade oposta, ou seja, são 
 antiparalelas. 
 - De que modo? 
 De um lado, por exemplo, temos o terminal 3’ 
 livre e na outra extremidade o terminal 5’ , 
 na cadeia complementar, temos justamente o 
 carbono 5’ e na outra extremidade o terminal 
 3’, ou seja, 3’-5’ e 5’-3’. 
 Essa foi uma importante descoberta de 
 Watson e Crick sobre a estrutura do DNA, 
 pois decifrou como as bases estão dispostas 
 de modo a manter os átomos de nitrogênio 
 voltados uns para os outros em ambas as 
 cadeias, possibilitando a formação de pontes 
 de hidrogênio entre elas. Por outro lado, os 
 grupos fosfato, que tem carga negativa e que 
 estão no arcabouço junto com a ribose, 
 exatamente por terem essa carga negativa, 
 tendem a se afastar e, desse modo, com essas 
 duas forças de atração e repulsão a estrutura 
 é mantida estável. Outra característica da 
 carga negativa do fosfato é que torna a 
 molécula de DNA extremamente hidrofílica, 
 ou seja, ela é atraída pela água e tende a se 
 dissolver nela. 
 Estrutura da Dupla Hélice do DNA 
 Quando os dois �lamentos polinucleotídeos 
 complementares estão pareados com 
 polaridade inversa, automaticamente 
 assumem a conformação de dupla hélice, 
 principalmente pela interação dos pares de 
 bases adenina e timina; citosina e guanina, 
 que são estruturas achatadas e que se 
 empilham uma sobre as outras no centro da 
 dupla-hélice. O empilhamento dá estabilidade 
 à molécula, excluindo as moléculas de água 
 dos espaços entre as bases hidrofóbicas, ou 
 seja, tem aversão pela água/ são repelidas 
 pela água. Como elas constituem a 
 informação genética importante �cam 
 resguardadas no interior da molécula da ação 
 enzimática e de radicais livres. 
 A forma estável da dupla-hélice é aquela com 
 dois tamanhos distintos de sulcos na espiral: 
 um sulco maior e um sulco menor. 
 A maioria da associação do DNA com proteínas 
 ocorre no sulco maior ou nos sulcos maiores, 
 sendo importante tanto no processo de 
 replicação, do qual participam de diversas 
 enzimas, quanto para expressão gênica. 
 Um único �lamento de polinucleotídeo não 
 assume a estrutura helicoidal, como RNA por 
 exemplo. A forma helicoidal depende 
 TOTALMENTE do empilhamento das bases nos 
 �lamentos de polaridade inversa. 
 Hélice dextrogira - Forma B 
 O modelo da dupla-hélice de DNA descrito por 
 Watson e Crick é com giro para direita ou 
 hélice dextrogira, que corresponde a forma B 
 do DNA. Nesse modelo, a cada 10,5 pares de 
 base há um giro completo para direita. É a 
 forma predominantemente encontrada nas 
 células, possuindo 2,37 nm de diâmetro. 
 A forma A também tem um giro para direita, 
 no entanto, é mais curta e mais larga (2,55 
 nm) do que a forma B, ocorrendo sob 
 condições não �siológicas em amostras de 
 DNA desidratadas, enquanto na célula pode 
 ser produzida por pareamento híbrido de DNA 
 e RNA ou pelo complexo enzima-DNA. 
 A forma Z tem giro para esquerda, é mais 
 estreita e alongada (1,84 nm) do que a formas 
 B e pode ser reconhecida por proteínas 
 especí�cas de ligação com um Z-DNA, podendo 
 estar envolvida na regulação da transcrição 
 gênica.