Estrutura do DNA

Prévia do material em texto

DNA
Instituto de Biologia
Departamento de Genética
Disciplina: Genética Molecular
Descobrindo a estrutura e composição da 
molécula de DNA 
• 1953 - ano da descoberta da estrutura do 
DNA
Quais as descobertas científicas feitas antes de 
1953 auxiliaram Watson e Crick a desvendar a 
estrutura da molécula?
• A origem da genética está baseada nos
trabalhos de Gregor Mendel – no início
do séc XIX - 1865
• Postulou, entre outros:
• Fatores hereditários – genes
• Propôs que as plantas tinham duas cópias dos genes
– Iguais ou não – alelos
• Durante a reprodução as cópias são aleatoriamente incorporada 
em diferentes células sexuais
• Alelos de genes diferentes são herdados independentemente
Os trabalhos de Mendel são considerados
a base dos princípios da genética até hoje!
Pai da genética
• Publicação dos resultados de Mendel – 1866
– 6 anos após a morte – 1900 - teve 
reconhecimento
– Hugo de Vries, na Holanda; Carl Correns, na 
Alemanha; e Tschermak, na Áustria.
E as descobertas continuam...
• Joham Friedrich Miescher (1869) isolou o DNA pela 
primeira vez
– Estudando o núcleo de glóbulos brancos do pus – chamou-o de 
nucleína
• Walter Flemming (1882) corpos em formatos de bastão -
cromossomos
A primeira peça do quebra-cabeças
• Friedrich Miescher (1869) – químico Suiço
– isolou o DNA pela primeira vez
– Nucleína, ácido nucléico e ácido desoxirribonucléico
• Objetivo: isolar proteínas - componentes de 
leucócitos
• Alto teor de fósforo e resistente a proteólise
– Pepsina
• 50 anos depois a descoberta de Miescher foi
reconhecida
• A descoberta de Miescher foi única entre as 
descobertas dos principais componentes celulares:
– Polissacarídeos, lipídeos, proteínas e ácidos nucléicos
Deveria ter sido “Datado precisamente… a um homem, 
um lugar, uma data” Chargaff (1961)
• Walter Sutton e Theodor Boveri (1902) – as partículas da
hereditariedade estariam nos cromossomos
– Teoria cromossômica da hereditariedade
• Wilhelm Johansen (1909) – introduziu os conceitos
genes, fenótipos e genótipos
10
• 1910 - Thomas Hunt Morgan - Os genes estão 
organizados de maneira linear em cada cromossomo.
• A ligação podia ser rompida pela recombinação. 
Transição da genética mendeliana 
clássica para a genética moderna. 
Descoberta da transformação
• Frederick Griffith (1928)
• Bactéria Streptococcus peneumoniae
– Letal em camundongos
Cápsula de polissarídeo - R
• Usou duas linhagens 
• R - não virulenta – polissacarídeo ausente e 
aspecto rugoso
• S – virulenta e mortal – polissacarídeo e 
aspecto liso
Descoberta da transformação
• Ferveu células virulentas ( tipo S)
• Injetou as mortas por aquecimento nos camundongos
• Os camundongos sobreviveram!
Descoberta da transformação
Passo a passo do experimento de Griffith
• Misturou células S aquecidas e células não virulentas (R) vivas 
• Injetou-as nos camundongos
• Os camundongos morreram!
• Células virulentas vivas podiam ser recuperadas nos mortos.
Processo de Transformação
Descoberta da transformação
Quais fatores químicos tinham provocado a 
transformação?
• Oswald Avery, C.M. MacLeod e M. McCarty
(1944) 
Oswald Avery, C.M. MacLeod e M. McCarty (1944) 
• Destruíram quimicamente todas as
substâncias no extrato de um célula morta
um de cada vez.
– Polissacarídeo
– RNA
– Proteínas
– DNA
Experimento do Avery et al (1944)
• Perda da habilidade apenas quando usava 
uma enzima desoxirribonuclease (DNase)
• Logo,
Concluíram que os genes (material hereditário) 
eram compostos de DNA 
– transformante.
Descoberta da transformação
Evidências adicionais de que o DNA era o material
genético
• Alfred Hershey e Martha Chase, 1952
• Fago T2 – infecta bactérias – E. coli
Hipótese
Se... O fago injetar partículas que causa a
reprodução de novas partículas virais
Então... Poderiam descobrir qual o material
genético do fago.
Descoberta da transformação
Experimentos de Hershey e 
Chase
• Marcaram o DNA e a proteína do fago
– radioisótopos
– 32P e 35S
• Rastrear os dois materiais durante a infecção
– 32P - DNA
– 35S - Proteínas
• Infectaram duas placas 
32P encontrado 
dentro da célula
35S encontrado
na capa do fago
Que informações Watson e Crick dispunham?
1. Os fatores hereditários (descritos por Gregor
Mendel, 1865)
2. As mutações
3. Teoria um gene - uma proteína – (Beadle e Tatum,
1940)
4. Genes estavam nos cromossomos
5. Os cromossomos eram constituídos por DNA e
proteína
6. O DNA era o material genético
• Natureza química da “nucleína”
• Phoebus Levene - 1919 - Bioquímico Russo
A segunda peça do quebra-cabeças
• Contribuições de Levene (1929) 
• Descobriu:
– a ordem dos nucleotídeos (fosfato -açúcar- base)
Contribuições de Levene (1929) 
– os componentes de hidratos de carbono de RNA 
(ribose) e do DNA (desoxirribose)
• Nem todos os ácidos nucléicos continham ribosa, alguns
continham um tipo de ribosa ao qual faltava um átomo de
oxigênio, a desoxirribosa.
Desoxirribose Ribose
*Monossacarídeos - moléculas
orgânicas formadas por átomos
de carbono (C), hidrogênio (H) e
oxigênio (O) na proporção
1: 2: 1, respectivamente,
apresentando fórmula geral
(CH2O) n, em que “n” pode variar
de 3 a 7.
tetroses, pentoses, hexoses e
heptoses.
• Albrecht Kossel descobriu que os compostos 
nitrogenados dos ácidos nucléicos eram bases 
aminadas cíclicas 
– Do grupo purina (adenina e guanina) – com um 
anel
– Do grupo pirimidina (citosina e timina) – com dois 
anéis
• Ligadas ao carbono 1’ da pentose – ligação n 
glicosídica
“Durante a década de 20, a opinião
generalizada, era de que o DNA era muito
simples, formado de pequenas moléculas. Por
esse motivo, Levene defendeu que não podia
carregar o código genético, e sua opinião pesou
muito.”
2. As regras de Chargaff da composição 
das bases
• Regras sobre a quantidade de cada tipo de
nucleotídeos encontrado no DNA
• 1. quantidade de pirimidínicos (T+C) =
quantidade de purínos ((A+G)
• 2. quantidade de A = T, quantidade de C = G,
mas A+T ≠ G+C
Estrutura do DNA
Em 1952, John Griffith, químico e matemático 
galês, 
• calculou que, entre as quatro bases aminadas 
que formam parte do DNA, a adenina tende a 
atrair timina, e a citosina, a guanina.
• Linus Pauling 
• Propôs que a molécula possuía três filamentos
• Watson e Crick 
– Processo construção do modelo
– Usando informações já disponíveis
“Sem essas informações Watson e Crick talvez nunca 
tivessem concluído em 1953, que a molécula de DNA 
existe na forma de uma dupla hélice tridimensional.”
A estrutura do DNA
• Watson e Crick (1953)
• Estrutura tridimensional
– Duas cadeias lado a lado de 
filamentos torcidos de uma 
dupla hélice
Estrutura do DNA
• Os dois filamentos de
nucleotídeos são mantidos juntos
por pontes de hidrogênio entre as
bases
• Cada filamento é composto de
unidades alternadas de fosfato,
desoxirribose – conectados por
ligações fosfodiéster
• os carbonos do açúcar são
numerados de 1’ a 5’
– Ligação fosfodiéster – átomo de
carbono 5’ ao átomo de carbono 3’
da desoxirribose adjacente
Estrutura do DNA
Estrutura do DNA
• Polaridade ou sentido 5’ para 3’
• Filamentos em orientação oposta –
polaridade inversa
• As bases estão no centro da dupla hélice –
excluindo moléculas de água do espaço 
entre os pares de bases (hidrofóbica)
• Pontes de hidrogênio
C –G – três pontes – mais estável –
desnaturação com temperaturas mais elevadas
A – T – duas pontes de hidrogênio
Estrutura do DNA
• A ligação ocorreentre a OH do C-1’ do açúcar com 
o N-9 das BN púricas ou N-1 das BN pirimídicas, 
liberando água. 
Estrutura do DNA
• Empilhamento associado com a estabilidade 
da molécula
– Sulcos com tamanhos distintos
– Sulco maior e sulco menor
– Associação DNA-proteínas no sulco maior
• Hélice com giro para direita
Estrutura do DNA
Estrutura do DNA
Distância entre as cadeias – 20 Angström
A cada 10 pares de nucleotídeos, a 
estrutura se repete – 34 Angström
1 Angström = 0,1 nanômetro (nm) 
10-4 micromêtro (μm)
10-7 milímetro (mm)
10-8 centímetros (cm)
Formas estruturais do DNA
• A forma "B" --> descrita por Watson e Crick em 1953, é a forma 
mais comum; a hélice é voltada para a direita e com 10 nucleotídeos 
por volta, com planos de bases perpendiculares ao eixo helical.
• A forma "A" --> Obtida pela desidratação moderada da forma "B", 
também é voltada para a direita, mas possui 11 nucleotídeos por volta 
e as bases estão em um ângulo de 20 graus em relação ao eixo helical.
• A forma "Z" --> A hélice nesta forma é voltada para a esquerda e
contém cerca de 12 nucleotídeos por volta.
A transição entre as formas de DNA pode desempenhar um papel
importante na regulação da expressão genética.
Descoberta de Watson e Crick
• Descoberta mais importante do século XX
• Prêmio Nobel para Maurice Wilkins (1962)
“Não escapou à nossa percepção 
que o pareamento específico que 
postulamos sugere imediatamente 
um possível mecanismo de cópia 
para o material genético” (Watson 
e Crick, 1953)
Estrutura do DNA
Organização do DNA
Etapas de condensação do DNA
• Nucleossomos
• Solenóides
• Cromômeros (alças)
• Cromossomo 
Metafásico (espirais)
1) Nucleossomo - associação da dupla hélice do 
DNA com um grupo específico de histonas. 
• Duas cópias de cada uma - H2A, H2B, H3, H4
• O octâmero circundado por duas voltas de DNA
– Cerca de 140 bases
• Após um segmento de DNA curto (20 a 60 bases), 
forma-se o centro seguinte de complexo de DNA -
contas num cordão.
– Este primeiro nível de compactação reduz o tamanho 
da molécula de DNA em 6 a 7 vezes.
• 2) Solenóides - A histona H1 ocupa lugar na região
entre os nucleossomos
– forçando outro tipo de compactação
• estruturas secundárias helicoides - solenóides.
– Compactação de 6 a 7 nucleossomos.
• Essa nova fibra é a unidade fundamental da
organização da cromatina.
• O solenóide é capaz de condensar
aproximadamente 1200 bases de DNA.
• Nucleossomos
Solenóide
• 3) Alças - proteínas não-histônicas formam 
estruturas em alças ou domínios. 
– Início de espessamentos parecidos com nós, 
denominados cromômeros. 
– À medida que os cromossomos se condensam 
mais, os cromômeros adjacentes fundem-se em 
estruturas maiores, que depois se tornam às 
bandas cromossômicas.
• 4) Cromossomos - Encontramos essas formas 
na metáfase, quando há a maior condensação 
da cromatina. É o enrolamento final, do qual 
participa a topoisomerase II.