Estrutura física e química do DNA - Borges-Osorio

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Na década de 1970, pesquisadores descobriram um 
tipo de microrganismo até então desconhecido, ao qual 
denominaram Archaea pelo fato de pensarem que tal-
vez pudesse ser o mais antigo tipo de célula existente, 
combinando características dos procariotos e eucario-
tos, mas exibindo também características próprias. Os 
Archaea, inicialmente denominados Archaebactérias, 
são considerados uma subdivisão dos procariotos, mas 
colocados em um grupo separado das demais bactérias 
por conta de suas características distintivas: os compo-
nentes de suas membranas e paredes celulares e as dife-
renças em bases raras encontradas em seus RNAs trans-
portadores e em estruturas diferentes nas subunidades 
da RNA-polimerase. Devido às diferenças moleculares 
que esses microrganismos apresentam em relação às 
demais bactérias, alguns cientistas tendem a chamá-los 
preferencialmente de Archaea, colocando-os em um 
subgrupo à parte dos procariotos.
1.2 O genoma, o DNA e 
os genes
O genoma contém o conjunto completo de informações 
hereditárias de qualquer organismo, consistindo em uma 
longa sequência de um ácido nucleico, denominado ácido 
desoxirribonucleico, ou DNA, composto de nucleotídeos 
formados por bases nitrogenadas, açúcar e fosfato. O 
grande desenvolvimento dos estudos dos genomas de vá-
rios organismos levou à criação de um termo específico: a 
genômica, que será tratada no Capítulo 18.
O DNA constitui a sequência de subunidades indi-
viduais, denominadas genes pelo biólogo dinamarquês 
Wilhelm Johannsen, em 1909. A função dos genes é ar-
mazenar e codificar as informações genéticas que serão 
utilizadas para a produção das cadeias polipeptídicas das 
proteínas que compõem as células, tecidos e órgãos dos 
organismos.
Os primeiros indícios de que o DNA é o material he-
reditário surgiram de experiências realizadas com bacté-
rias, sendo essas indicações estendidas posteriormente 
aos organismos mais complexos.
Os genes são sequências de DNA que contêm a in-
formação para codificar as cadeias polipeptídicas de uma 
proteína, sendo os responsáveis pela transmissão here-
ditária das características de uma geração para outra. 
Tais sequências nem sempre são contínuas, podendo ser 
interrompidas por segmentos de DNA não relacionados 
com a codificação de uma cadeia polipeptídica específica.
Os genes estão organizados em um número relativa-
mente pequeno de cromossomos. O material genético de 
cada cromossomo consiste em uma fita muito longa de 
DNA, contendo muitos genes em uma ordem linear, em-
bora nem sempre contínua.
O conceito de gene modificou-se ao longo do tem-
po; atualmente, o gene é definido como o segmento 
de DNA que codifica uma cadeia polipeptídica 
e inclui regiões flanqueadoras que antecedem 
(sequência-líder) e que seguem (cauda) a região 
codificadora, bem como sequências que não são 
traduzidas (íntrons) e que se intercalam com as 
sequências codificadoras individuais (éxons).
1.3 Ácidos nucleicos
1.3.1 Estrutura química
A estrutura química dos ácidos nucleicos é simples e não 
varia entre os diversos organismos.
Esses ácidos nucleicos são constituídos de sequên-
cias de nucleotídeos. Cada nucleotídeo é formado por:
 � uma base nitrogenada, que pode ser uma purina 
(adenina ou guanina) ou uma pirimidina (timina 
ou citosina, no DNA; uracil ou citosina, no RNA);
 � um açúcar (pentose: desoxirribose, no DNA; ribose, 
no RNA);
 � um grupo fosfato (PO4).
Tabela 1.1 Caracterização de procariotos e eucariotos
Características Procariotos Eucariotos
Núcleo Não Sim
Membrana nuclear Não Sim
“Corpo nucleoide” Sim Não
Material genético DNA, RNA DNA
Cromossomos visíveis na divisão celular Não Sim
Ribossomos Sim Sim
Outras organelas Não Sim
Parede celular rígida Sim Não
Exemplos Bactérias, cianobactérias Fungos, protozoários, algas superiores, 
vegetais e animais superiores
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O conjunto de base + açúcar denomina-se nucleo-
sídeo, chamando-se nucleotídeo ao conjunto de base 
+ açúcar + fosfato.
De acordo com a pentose que apresentam, os ácidos 
nucleicos são de dois tipos: DNA (ácido desoxirribonu-
cleico), que contém desoxirribose, e RNA (ácido ri-
bonucleico), que contém ribose. Neste último não há 
timina, e sim uracil. O grupo fosfato apresenta-se inva-
riável, tanto no DNA quanto no RNA. O DNA encontra-se 
principalmente nos cromossomos; o RNA é encontrado 
no nucléolo (estrutura nuclear) e no citoplasma, havendo 
muito pouco nos cromossomos.
Na Figura 1.1 estão representadas as estruturas quí-
micas dos componentes dos nucleotídeos (bases nitrogena-
das, açúcares e grupo fosfato); a Figura 1.2 apresenta as 
estruturas química e molecular de uma sequência de DNA.
PURINAS
guanina
adenina timina
PIRIMIDINAS
NUCLEOTÍDEO BASE
FOSFATO
AÇÚCAR
MONOFOSFATO
DIFOSFATO
TRIFOSFATO
RIBOSEDESOXIRRIBOSE
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uracil
citosina
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OH H
HH
HH
OH OHOH H
HH
O OHCH OH2 CH OH2
O
OH
Figura 1.1
Representação esquemá-
tica das estruturas quí-
micas dos componentes 
dos nucleotídeos, bem 
como de um nucleotídeo, 
mostrando as ligações 
entre esses componen-
tes. A – Bases nitroge-
nadas (purinas: adenina 
e guanina; pirimidinas: 
timina, citosina e uracil). 
B – Grupo fosfato (mo-
nofosfato, difosfato e 
trifosfato). C – Açúcares 
(desoxirribose e ribose). 
D – Nucleotídeo.
Fonte: Azevedo e Astolfi 
Filho.
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C
OH H
C
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C
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Figura 1.2
Representação esquemática das estruturas química e molecular do DNA e de seus nucleotídeos. A – Seg-
mento de uma fita dupla de DNA, mostrando alguns pares de nucleotídeos adjacentes e considerando a lo-
calização dos carbonos 5' e 3' no açúcar (desoxirribose); pode ser notada a orientação oposta das fitas, por 
isso denominadas antiparalelas. A fita da esquerda corre da direção 5' (acima) para a direção 3' (abaixo), a 
fita da direita corre em direção oposta: de 5' (abaixo) para 3' (acima). Pode-se observar também a estrutura 
química dos componentes da molécula de DNA, bem como o pareamento entre as bases nitrogenadas ade-
nina (A) e timina (T), ligadas por duas pontes de hidrogênio, e entre as bases nitrogenadas guanina (G) e 
citosina (C), ligadas por três pontes de hidrogênio. B – Numeração dos carbonos do açúcar (desoxirribose) 
na estrutura açúcar-fosfato da molécula de DNA.
Fonte: Lewis.
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1.3.2 Estrutura molecular
Além das diferenças em sua composição química, o DNA 
e o RNA mostram diversidade quanto à sua estrutura mo-
lecular.
É necessário que o DNA tenha uma estrutura sufi-
cientemente versátil para explicar a grande variedade de 
genes e, ao mesmo tempo, ser capaz de reproduzir-se de 
tal maneira que se forme uma cópia idêntica em cada cé-
lula com capacidade de se dividir.
Em 1953, J. D. Watson e F. C. Crick, com base em 
estudos de difração aos raios X, propuseram um modelo 
para a estrutura molecular do DNA que atendia a esses 
requisitos: (a) a molécula de DNA é uma longa fita ou fita 
de nucleotídeos, formando uma configuração semelhante 
à de uma escada de corda, enrolada de forma helicoidal; 
(b) nessa escada, o açúcar e o fosfato são os componen-
tes verticais (corrimãos)e as bases nitrogenadas são os 
degraus: para que estes se formem, as ligações entre as 
bases são feitas por pontes de hidrogênio, sendo duplas 
entre as bases adenina e timina, e triplas entre guanina e 
citosina; (c) tal modelo também requer que as duas fitas 
polinucleotídicas sejam antiparalelas, isto é, corram em 
direções opostas: uma na direção 5'→3' e a outra na di-
reção 3'→5'. Na Figura 1.3 está representado o modelo 
original da molécula de DNA. Por seu trabalho, Watson e 
Crick receberam o Prêmio Nobel de Medicina e Fisiolo-
gia, em 1962.
Desse modo, o DNA é formado por duas fitas po-
linucleotídicas que se dispõem em espiral em torno de 
um mesmo eixo imaginário, mas com polaridades opos-
tas. Cada fita de DNA tem sua polaridade determina-
da pela orientação dos componentes açúcar e fosfato. 
Quando uma fita termina no átomo de carbono 5' da 
molécula de desoxirribose, que constitui sua extremi-
dade 5', a fita oposta termina no carbono 3' do açúcar, 
denominando-se extremidade 3 . Assim, a extremidade 
5' de uma fita tem orientação oposta à extremidade 3' 
da outra, daí a denominação de fitas antiparalelas. A es-
tabilização da dupla-hélice é dada pela interação entre 
as bases complementares oponentes e as bases que vão 
se superpondo. O espaço ocupado por duas bases opos-
tas é pequeno, o que obriga a associação, por meio de 
pontes de hidrogênio, entre uma base grande (púrica) 
e outra pequena (pirimídica); duas bases grandes não 
caberiam nesse espaço e duas pequenas não se aproxi-
mariam o suficiente para interagir. Essas associações 
complementares ocorrem entre adenina e timina 
e entre guanina e citosina, por serem combinações 
mais estáveis. Assim, as quantidades de bases púricas 
e pirimídicas são iguais, de tal forma que A+G 5 C+T. 
Verifica-se, igualmente, que as quantidades de adeni-
na e timina são equivalentes e o mesmo ocorre com a 
guanina e a citosina, tendo-se, assim: A5T e G5C. 
Considerando-se uma fita hipotética, com a seguinte 
composição: 5'-ATGCGTCAG-3', sua fita complemen-
tar deverá ser 3'-TACGCAGTC-5', com a estrutura em 
dupla-hélice completa sendo assim representada:
5'-ATGCGTCAG-3'
3'-TACGCAGTC-5'
A relação G+C/A+T é igual em todos os indivíduos 
da mesma espécie, mas varia de uma espécie para outra.
A estrutura molecular do DNA apresenta uma série 
de vantagens: (a) possibilita o armazenamento e a codi-
ficação de imensa quantidade de informação, tendo em 
vista as bases nela contidas; assim, para uma molécula 
com N bases, há 4N sequências possíveis; (b) sugere um 
mecanismo para sua replicação, já que cada fita contém 
a informação completa da molécula de DNA, podendo 
servir como molde para a síntese de uma nova fita com-
plementar; (c) fornece um mecanismo de defesa contra 
a perda de informação genética causada por um dano ao 
DNA (p. ex., se uma base de uma das fitas for danificada 
ou perdida, poderá ser substituída, já que sua fita com-
plementar orienta essa substituição); (d) permite que as 
fitas de DNA, com a sua complementaridade, se identifi-
quem e se juntem em uma mistura complexa de molécu-
las, configurando o que se denomina hibridização, pro-
cesso utilizado em algumas situações pelos mecanismos 
nucleares de regulação da expressão gênica.
A forma original da dupla-hélice do DNA, proposta 
no modelo de Watson e Crick, é denominada B-DNA, 
mas ainda existem outras formas. A conformação que o 
DNA adota depende de vários fatores: nível de hidrata-
ção, sequência de DNA, direção e grau do superenrola-
mento, modificações químicas das bases, tipo e concen-
tração de íons metálicos e presença de poliaminas em 
solução. Em condições fisiológicas, a maior parte do DNA 
de procariotos e eucariotos aparece com a forma desse 
modelo: uma hélice com giro para a direita (dextrógira) e 
entre 10 e 10,5 bases por giro, formando dois sulcos, um 
grande e profundo (sulco maior), outro pequeno, estreito 
ou raso (sulco menor). Essa estrutura pode transformar-
-se no A-DNA, forma rara já conhecida quando surgiu o 
modelo de Watson e Crick, também dextrógira, que existe 
somente em condições salinas altas ou de desidratação, 
contendo 11 pares de bases por giro e diferindo do B-DNA 
por uma rotação de 20º em relação ao eixo perpendicular 
da hélice, o que causa mudança na aparência dos sulcos 
maior e menor. Existe ainda o Z-DNA, que apresenta 
instabilidade termodinâmica e contém 12 pares de ba-
ses por giro. Sua orientação para a esquerda (levógira) 
resulta em maior distância entre seus pares de bases do 
que no B-DNA e em uma molécula de DNA em forma de 
zigue-zague, daí sua denominação. Um giro de 180º pode 
converter o B-DNA em Z-DNA com função biológica, mas 
ainda não se sabe exatamente se o Z-DNA ocorre in vivo. 
Segmentos de B-DNA cujas bases foram modificadas qui-
micamente por metilação podem sofrer grande mudança 
em sua conformação e adotar a forma Z. Essas estruturas 
raras podem ser reconhecidas por proteínas específicas 
de ligação ao Z-DNA e podem estar envolvidas na regula-
ção da transcrição.
A Figura 1.4 mostra essas três formas da dupla-hé-
lice do DNA. Foram descobertas outras formas de DNA 
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Legenda:
hidrogênio
oxigênio
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açúcar açúcar
açúcar açúcar
açúcar
açúcar
açúcar açúcar
�os�ato
�os�ato
�os�ato
�os�ato
�os�ato
�os�ato
�os�ato
�os�ato
C D
A B
sulco maior
sulco menor
sulco maior
sulco menor
carbono na cadeia de
açúcar+�os�ato
carbono e nitrogênio
nas bases
Figura 1.3
Modelo de Watson e Crick para a estrutura da molécula do DNA, em diferentes modos de representação. A 
– A dupla-hélice está desenrolada para mostrar os pares de bases (internamente, em laranja) e o esqueleto 
de açúcar-fosfato (externamente, em preto). Sua largura mantém-se constante porque as purinas pareiam 
sempre com as pirimidinas: A com T, unidas por duas pontes de hidrogênio, G com C, unidas por três pon-
tes de hidrogênio. B – A dupla-hélice assemelha-se a uma escada, na qual os degraus são os pares de bases, 
situados perpendicularmente aos corrimãos formados pela estrutura de açúcar e fosfato. As setas indicam 
a orientação oposta das fitas. O enrolamento helicoidal das duas fitas faz surgir um sulco menor (~12Å de 
diâmetro) e um sulco maior (~22Å de diâmetro), assinalados na figura. C – Esta representação mostra as 
relações entre os átomos da molécula de DNA. D – O esquema de um segmento desenrolado da dupla-hélice 
mostra a relação entre as bases complementares, que representam o conteúdo informativo variável do DNA, 
e o esqueleto de açúcar-fosfato, que é idêntico em todo o DNA.
Fonte: Lewis.
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de hélices dextrógiras, quando investigadas em condições 
laboratoriais variadas. Essas formas são denominadas 
C-DNA, D-DNA, E-DNA e P-DNA. O C-DNA é encon-
trado em condições de maior desidratação do que as ob-
servadas durante o isolamento do A-DNA e do B-DNA. 
Apresenta somente 9,3 pares de bases por giro, por isso é 
menos compacto. Do mesmo modo que no A-DNA, os pa-
res de bases do C-DNA não são planos, inclinando-se em 
relação ao eixo da hélice. O D-DNA e o E-DNA ocorrem 
em hélices que não contêm guanina em sua composição 
de bases e apresentam 8 e 7 pares de bases por giro, res-
pectivamente. O P-DNA (denominação em homenagem 
a Linus Pauling) é mais longo e mais estreito do que a 
forma B, e seus grupos fosfato e bases nitrogenadas têm 
localização inversa à encontrada no B-DNA, pois os pri-
meiros se encontram no interior da molécula e as últimas, 
na sua superfície externa. Há aproximadamente 2,6 bases 
por giro, em contraste ao maior número de bases por giro 
encontrado no B-DNA.
O interesse em formas alternativas de DNA, tal como 
a forma Z e outras formas raras, decorre da possibilidade 
de que o DNA possa assumir uma estrutura diferente da 
existente na forma B para facilitar algumas de suas fun-
ções genéticas.
Como já foi mencionado, o RNA difere do DNA em 
sua composiçãoquímica quanto a dois aspectos: o RNA 
possui ribose, no lugar da desoxirribose, e uracil, em vez 
de timina.
Quanto à estrutura molecular, o RNA apresenta ape-
nas uma fita de nucleotídeos, cuja composição de bases 
não está restrita às igualdades G5C e A5U. Em circuns-
tâncias especiais, uma molécula de RNA pode formar 
uma fita dupla com outra parte de sua própria estrutura, 
como ocorre no RNA transportador, que será abordado 
mais adiante neste capítulo. Além disso, o DNA contém 
a informação que codifica uma cadeia polipeptídica, en-
quanto o RNA utiliza essa informação.
B-DNA A-DNA Z-DNA
B-DNA A-DNA
Figura 1.4
Principais formas do DNA. 
A – Modelos tridimensio-
nais computadorizados de 
B-DNA, A-DNA e Z-DNA. 
B – Representação es-
quemática de B-DNA e de 
A-DNA, exemplificando a 
orientação dos seus pares 
de bases: no B-DNA, são 
perpendiculares à hélice, 
enquanto no A-DNA são 
inclinados e afastados da 
hélice.