Genética - Estrutura do DNA

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Biologia Molecular Básica – Módulo I: Básico Estrutura dos ácidos nucléicos – Aula 3 
Profª. Christina Gaspar Villela – Extensão de Biologia – Fundação CECIERJ/CEDERJ 1
Biologia Molecular Básica Módulo I – Básico 
Aula 3 
Estrutura do DNA 
Prezado professor, você estudou até agora que o DNA dirige todo o 
desenvolvimento do organismo, a partir da informação contida em sua 
estrutura. Nesta aula você vai ver os aspectos estruturais e funcionais 
dessa molécula. 
Os objetivos desta aula são: 
ƒ Estudar a importância do dia 25 de abril de 1953 para uma das 
maiores revoluções na Ciência. 
ƒ Identificar as contribuições de Erwin Chargaff e Rosalind Franklin para 
as conclusões de Watson e Crick. 
ƒ Estudar a estrutura em dupla hélice do DNA, destacando suas 
orientações opostas ou antiparalelas. 
ƒ Relacionar a regra de Chargaff e os pares de bases definidos por 
Watson e Crick. 
ƒ Diferenciar as formas A-DNA, B- DNA e Z-DNA. 
 
1. Uma breve história pelo tempo 
O bioquímico alemão Johann Friedrich Miescher (1844 - 1895) 
descobriu o DNA em 1869. Miescher buscava determinar os 
componentes químicos do núcleo celular e usava os glóbulos brancos, 
células que apresentam núcleos grandes e fáceis de serem isolados do 
citoplasma. Analisando os núcleos, Miescher descobriu a presença de um 
componente de natureza ácida, rico em fósforo e em nitrogênio, 
desconhecido até o momento. Esse componente era resistente à ação da 
pepsina (enzima proteolítica), o que descartava a possibilidade de 
tratar-se de uma proteína. Miescher batizou o composto com o nome de 
nucleína. 
Em 1889, um aluno de Miescher, Richard Altmann (1852 - 1900), 
obteve nucleína com alto grau de pureza, comprovando sua natureza 
ácida e dando-lhe então o nome de ácido nucléico. Anos se passaram 
até que Phoebus Levine (1869 - 1940) e Walter Jacobs (1883 - 1967) 
concluíram, em 1912, que o componente básico dos ácidos nucléicos era 
uma estrutura composta por uma unidade que se constituía de uma 
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base nitrogenada ligada a uma pentose que, por sua vez, estava ligada 
a um fosfato. Esta unidade é o nucleotídeo. 
Após a caracterização dos componentes da molécula de DNA, os 
pesquisadores se perguntavam: ”Como uma molécula com tão poucos 
componentes desempenha as funções de uma molécula hereditária?” 
Essa questão começou a ser respondida com a elucidação da estrutura 
do DNA, por James Watson e Francis Crick. A descoberta foi conhecida 
pelo mundo no dia 25 de abril de 1953, ao ser publicada na revista 
Nature. A partir daí, esses dois cientistas e sua descoberta entraram 
para a história da humanidade, valendo-lhes o Prêmio Nobel de Medicina 
em 1962. É importante que você saiba que as conclusões de Watson e 
Crick basearam-se nas contribuições dadas por dois cientistas: Erwin 
Chargaff (1905 – 2002) e Rosalind Franklin (1920 –1958). Chargaff e 
seus colaboradores buscaram quantificar cada um dos tipos de bases 
nitrogenadas do DNA de várias espécies utilizando métodos de 
cromatografia. 
Chargaff e sua equipe concluíram que: 
i) a composição de bases nitrogenadas do DNA variava de uma espécie 
pra outra, mantendo-se constante dentro da mesma espécie; 
ii) no DNA de qualquer espécie, a porcentagem de timina era sempre 
igual à da adenina, e a da citosina era igual à da base guanina. 
Enquanto alguns grupos se dedicavam à análise química do DNA, outros 
estudavam a estrutura da molécula por meio da difração de raios-X. 
Watson e Crick identificaram a estrutura em dupla hélice do DNA depois 
de analisar uma imagem da molécula de DNA obtida por difração de 
raios-X, por Rosalind Franklin. 
 
 
 
 
 
Figura 1: 
A) Rosalind Franklin, a 
Dama Sombria do DNA 
(The Dark Lady of DNA) 
B) Imagem obtida por 
difração de raios-X do 
DNA, em 1952. 
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2. DNA – Aspectos funcionais e estruturais 
2.1. A estrutura de dupla hélice do DNA 
O DNA é composto por duas cadeias de nucleotídeos. No entanto, elas 
não estão lado a lado de uma maneira qualquer. Lembre-se de que os 
polímeros de nucleotídeos apresentam uma orientação 5’ → 3’ definida 
pelo esqueleto açúcar-fosfato. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2: O suporte 
açúcar-fosfato está 
representado em preto. 
No centro da molécula, 
encontram-se os pares 
de bases formados por 
interações do tipo 
pontes de hidrogênio. 
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As cadeias de DNA são ditas “complementares”, pois a base presente 
em uma das cadeias determina a base presente na outra cadeia. 
Observe que a base C está em frente à base G, a A em frente à T, a G 
em frente à C e a T em frente à A. Esse arranjo dá a idéia de 
complementaridade e está de acordo com a regra de Chargaff: A = T e 
C = G. Além disso, essa complementaridade de bases assegura a 
formação de uma duplicata exata da informação genética parental 
quando o DNA é replicado. O estudo da replicação será feito no módulo 
intermediário. 
Repare também que, ao longo dos filamentos, existem sinais negativos, 
que representam os diversos grupamentos fosfatos carregados 
negativamente. Lembre-se que, em pH fisiológico, os ácidos nucléicos 
se comportam como poliânions, o que permite seu fracionamento 
através da técnica de eletroforese em gel. 
Observe ainda na Figura 2 que as interações entre as bases são do tipo 
pontes de hidrogênio. A interação entre as bases adenina (A) e timina 
(T) é formada por duas pontes de hidrogênio, enquanto entre as bases 
guanina (G) e citosina (C) formam-se 3 pontes de hidrogênio. 
Os dois átomos de hidrogênio no grupamento NH2 são ligeiramente 
positivos (δ+), uma vez que o nitrogênio, por ser mais eletronegativo 
que o hidrogênio, tende a atrair os elétrons envolvidos nas ligações N – 
H. O átomo de oxigênio, por ser também mais eletronegativo que o 
carbono, atrai os pares de elétrons da ligação dupla com o carbono, 
ficando ligeiramente negativo (δ-). Esta situação propicia a formação de 
uma ponte de hidrogênio, ou seja, a interação entre um átomo de H 
ligeiramente positivo e um átomo ligeiramente negativo, que neste 
exemplo é o oxigênio, mas poderia também ser o nitrogênio (Figura 3). 
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As distâncias entre as bases e o espaço ocupado por elas são 
praticamente os mesmos nos dois pares de bases A=T e C Ξ G (Figura 
4). Como o diâmetro da molécula de DNA é constante ao longo de toda 
a sua extensão, parece razoável que o pareamento ocorra entre uma 
purina, que apresenta dois anéis fusionados em sua estrutura, e uma 
pirimidina, que contém apenas um anel. O pareamento entre duas 
purinas ou entre duas pirimidinas caracteriza alterações no DNA, 
promovendo distorções estruturais que são reconhecidas por sistemas 
de reparo específicos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3 
Figura 4: Pares de 
bases definidos por 
Watson e Crick, 
também chamados 
pares Watson-Crick. 
Representação dos 
padrões de pontes de 
hidrogênio formadas 
entre as basesde cada 
par, assim como a 
distância entre as 
bases e o espaço 
ocupado por cada par 
de bases. 
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No modelo de Watson e Crick, uma volta completa de cada hélice 
media 34 Å, correspondendo a 10 pares de bases. Estudos posteriores 
revelaram que a extensão de uma volta completa é de fato 36 Å, 
englobando 10,5 pares de bases. Conseqüentemente, a distância 
entre dois pares de bases é de 3,4 Å. O diâmetro interno ao longo 
de toda a estrutura é de 20 Å. 
Observe que, dentro dos limites do contorno cilíndrico da dupla hélice, 
encontram-se dois sulcos: o sulco maior, de aproximadamente 23 Å, e 
o sulco menor, de cerca de 13 Å (Figura 5). Esses sulcos são grandes o 
bastante para acomodar cadeias polipeptídicas, fundamentais nos 
processos celulares que contam com a participação do DNA, como 
replicação e transcrição. Como já foi dito, a replicação e a transcrição 
serão abordadas no módulo intermediário. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2.2. Forças que estabilizam a dupla hélice do 
DNA 
O contato íntimo entre os pares de bases, que estão posicionados em 
um plano quase perpendicular ao eixo da dupla hélice, é favorecido por 
Figura 5: A dupla 
hélice de DNA. São 
destacados: os sulcos 
maior e menor, a 
extensão 
correspondente a uma 
volta completa da 
hélice, o diâmetro da 
molécula, os sentidos 
dos filamentos, o eixo 
e os pares de bases na 
parte central da 
molécula e os sinais 
negativos 
representando os 
fosfatos carregados 
negativamente. 
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interações fracas, que são de suma importância para a estabilização da 
estrutura tridimensional do DNA. 
Você já viu que os pares de bases se posicionam no interior da dupla 
hélice, ficando, portanto, protegidos da água. Em contrapartida, o 
suporte açúcar-fosfato, carregado eletricamente e hidrofílico, localiza-se 
no exterior, em contato direto com a água. A estabilidade da estrutura 
helicoidal é diminuída pela repulsão entre os grupos fosfatos dos 
filamentos. Por isso, eles devem ser mantidos afastados o máximo 
possível um do outro para reduzir a repulsão eletrostática. Essa 
repulsão também é neutralizada pela presença de íons positivos, como 
por exemplo Mg2+, poliaminas e polipeptídeos com cadeias laterais 
carregadas positivamente. No módulo intermediário, você aprenderá 
que o DNA eucariótico encontra-se em associação com histonas, 
proteínas carregadas positivamente, no núcleo da célula. 
A disposição planar dos átomos dos anéis das bases nitrogenadas é 
importante, pois permite o “empilhamento das bases”. Além disso, as 
bases são hidrofóbicas e praticamente insolúveis em água no pH 
intracelular. Entretanto, em valores de pH ácidos ou básicos, as bases 
se tornam carregadas e sua solubilidade em água aumenta. 
As interações hidrofóbicas existentes entre duas ou mais bases, em 
que os planos de seus anéis ficam paralelos, como se fosse um 
empilhamento de moedas constituem uma das interações 
importantes entre as bases dos ácidos nucléicos. O empilhamento 
das bases também envolve uma combinação de interações dos tipos Van 
der Waals e dipolo-dipolo. É importante você saber que o 
empilhamento de bases contribui para minimizar o contato das 
bases com água e que as forças de empilhamento estabilizam a 
dupla hélice quase tanto quanto as pontes de hidrogênio. 
Que tal você parar aqui e rever os diferentes tipos de interação química? 
SUGESTÃO: Por que você não sugere este tema de pesquisa para seus 
alunos? Você pode até usar maquetes, que são um bom material para a 
fixação desses conceitos! 
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2.3. Outras estruturas tridimensionais do 
DNA 
O modelo de estrutura do DNA proposto por Watson e Crick que 
discutimos até agora corresponde à “forma B do DNA”, ou simplesmente 
“DNA B”. A forma B é a estrutura mais estável para uma seqüência 
aleatória da molécula de DNA em condições fisiológicas; portanto, é a 
estrutura de referência para os estudos das propriedades do DNA. Além 
da forma B do DNA, outras conformações podem ser observadas em 
condições diferentes das empregadas nos estudos de Watson e Crick, 
como por exemplo utilizando íons positivos distintos em associação com 
o DNA. As variações estruturais no DNA são resultados de: 
ƒ diferentes conformações assumidas pela desoxirribose; 
ƒ rotação ao redor das ligações contíguas que formam o suporte 
açúcar-fosfato; e 
ƒ rotação ao redor da ligação C1’-N-glicosídica. 
Duas estruturas variantes já foram caracterizadas: as formas A e Z do 
DNA, ou “DNA A” e “DNA Z”. 
 
 
 
 
 
 
 
Não se sabe ao certo sobre a ocorrência do DNA A nas células, mas 
existem fortes evidências a respeito da presença de alguns trechos 
curtos de DNA Z em eucariotos e procariotos. Apesar de ainda não ter 
sido confirmada, existe a possibilidade de essas regiões desempenharem 
Figura 6: Formas do 
DNA A, B e Z. 
Algumas diferenças 
marcantes se referem 
ao número de pares de 
bases por volta da 
hélice, ao 
posicionamento dos 
pares de bases em 
relação ao eixo da 
hélice e à direção do 
enrolamento da hélice, 
ou seja, para a 
esquerda ou para a 
direita. 
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algum papel na regulação da expressão de alguns genes ou na 
recombinação genética. 
3. Desnaturação e renaturação do DNA 
Uma solução de DNA em sua estrutura nativa apresenta-se viscosa em 
pH 7,0 a 25ºC. Quando essa solução é submetida a extremos de pH ou 
a temperaturas acima de 80ºC, sua viscosidade diminui drasticamente, 
indicando a mudança física do DNA. Assim, o calor e os extremos de pH 
causam a “desnaturação do DNA dupla hélice”. 
4. Resumo 
Você viu nesta aula que, desde o século XIX, já se sabia da existência 
do DNA. Miescher (1869), analisando os núcleos de glóbulos brancos, 
descobriu a presença de um componente de natureza ácida, rico em 
fósforo e em nitrogênio. Sua forma, entretanto, só foi determinada 
quase um século depois, quando Watson e Crick anunciaram ao mundo 
a estrutura do DNA, o que lhes valeu o Prêmio Nobel de Medicina em 
1962. Eles se basearam nas contribuições de Erwin Chargaff e Rosalind 
Franklin. O primeiro demonstrou que a composição de bases 
nitrogenadas do DNA variava de uma espécie para outra, mantendo-se 
constante dentro da mesma espécie, e que no DNA de qualquer espécie 
a porcentagem de timina era sempre igual à de adenina e a da citosina 
era igual à da base guanina. Rosalind Franklin, por sua vez, obteve pela 
primeira vez a imagem do DNA por difração de raios-X. 
Vários pontos importantes da estrutura do DNA foram abordados nesta 
aula: i) A natureza antiparalela da dupla hélice, que assegura o ótimo 
alinhamento das bases; ii) os pares de bases que se posicionam no 
interior da dupla hélice, ficando, portanto, protegidos da água, enquanto 
o esqueleto açúcar-fosfato localiza-se no exterior; iii) as cadeias 
complementares de DNA, onde a adenina pareia com a timina (A=T) e a 
citosina pareia com a guanina (C Ξ G); iv) a forma B do DNA ou B-DNA, 
modelo de estruturado DNA proposto por Watson e Crick, e as formas 
alternativas A-DNA e Z-DNA. 
Na próxima aula (Aula 4) deste módulo, você irá estudar os aspectos 
funcionais e estruturais do RNA.