Aula 3 Estrutura do DNA

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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: Estudar a importância do dia 25 de abril de 1953 para uma das maiores revoluções na Ciência. Identificar as contribuições de Erwin Chargaff e Rosalind Franklin para as conclusões de Watson e Crick. Estudar a estrutura em dupla hélice do DNA, destacando suas orientações opostas ou antiparalelas. Relacionar a regra de Chargaff e os pares de bases definidos por Watson e Crick. Diferenciar as formas A-DNA, B- DNA e Z-DNA. 1. Uma breve história pelo tempo O bioquímico alemão Johann Friedrich Miescher ( ) descobriu o DNA em 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 ( ), 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 ( ) e Walter Jacobs ( ) concluíram, em 1912, que o componente básico dos ácidos nucléicos era uma estrutura composta por uma unidade que se constituía de uma Profª. Christina Gaspar Villela Extensão de Biologia Fundação CECIERJ/CEDERJ 1

2 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 É importante que você saiba que as conclusões de Watson e Crick basearam-se nas contribuições dadas por dois cientistas: Erwin Chargaff ( ) e Rosalind Franklin ( ). 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 Profª. Christina Gaspar Villela Extensão de Biologia Fundação CECIERJ/CEDERJ 2

3 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. Profª. Christina Gaspar Villela Extensão de Biologia Fundação CECIERJ/CEDERJ 3

4 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 NH 2 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). Profª. Christina Gaspar Villela Extensão de Biologia Fundação CECIERJ/CEDERJ 4

5 Figura 3 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 4: Pares de bases definidos por Watson e Crick, também chamados pares Watson-Crick. Representação dos padrões de pontes de hidrogênio formadas entre as bases de cada par, assim como a distância entre as bases e o espaço ocupado por cada par de bases. Profª. Christina Gaspar Villela Extensão de Biologia Fundação CECIERJ/CEDERJ 5

6 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. 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 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 Profª. Christina Gaspar Villela Extensão de Biologia Fundação CECIERJ/CEDERJ 6

7 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 Mg 2+, 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! Profª. Christina Gaspar Villela Extensão de Biologia Fundação CECIERJ/CEDERJ 7

8 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: diferentes conformações assumidas pela desoxirribose; rotação ao redor das ligações contíguas que formam o suporte açúcar-fosfato; e rotação ao redor da ligação C 1 -N-glicosídica. Duas estruturas variantes já foram caracterizadas: as formas A e Z do DNA, ou DNA A e DNA Z. 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. 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 Profª. Christina Gaspar Villela Extensão de Biologia Fundação CECIERJ/CEDERJ 8

9 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 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 estrutura do 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. Profª. Christina Gaspar Villela Extensão de Biologia Fundação CECIERJ/CEDERJ 9