BIOLOGIA MOLECULAR. DNA Histórico e estrutura. Prof. Silmar Primieri

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1 BIOLOGIA MOLECULAR DNA Histórico e estrutura Prof. Silmar Primieri

2 A descoberta do DNA Como foi descoberto o DNA e quem descobriu? É um equívoco comum pensar que James Watson e Francis Crick descobriram o DNA na década de Na realidade, o DNA foi descoberto décadas antes. Foi seguindo o trabalho dos pioneiros antes deles que James e Francis foram capazes de chegar a sua conclusão inovadora sobre a estrutura do DNA em A história da descoberta do DNA começa nos anos A molécula da Vida A molécula agora conhecida como DNA foi identificada pela primeira vez na década de 1860 por um químico suíço chamado Johann Friedrich Miescher. Johann começou a pesquisar os componentes-chave dos glóbulos brancos, parte do sistema imunológico do nosso corpo. A principal fonte dessas células foram curativos de pus coletados de uma clínica médica próxima. Johann realizou experimentos usando soluções de sal para entender mais sobre o que compõe os glóbulos brancos. Ele notou que, quando ele adicionou ácido a uma solução das células, uma substância se separava da solução. Esta substância dissolveu-se novamente quando se adicionou um álcali. Ao investigar essa substância, ele percebeu que tinha propriedades inesperadas diferentes das de outras proteínas. Johann chamou essa misteriosa substância de "nucleina", porque acreditava que ela vinha do núcleo celular. Sem que ele soubesse, Johann descobriu a base molecular de toda a vida - o DNA. Ele então começou a encontrar maneiras de extraí-lo em sua forma pura. Por muitos anos, os cientistas continuaram a acreditar que as proteínas eram as moléculas que continham todo o nosso material genético. Eles acreditavam que a nucleina simplesmente não era complexa o suficiente para conter todas as informações necessárias para compor um genoma. Certamente, um tipo de molécula não poderia explicar toda a variação observada dentro das espécies. Os quatro blocos de construção do DNA Albrecht Kossel foi um bioquímico alemão que fez um grande progresso na compreensão dos blocos básicos de construção da nucleina. Em 1881, Albrecht identificou a nucleina como um ácido nucleico e forneceu seu nome químico atual, o ácido desoxirribonucleico (DNA). Ele também isolou os

3 cinco nucleotídeos. Bases que são os blocos de construção do DNA e RNA: adenina (A), citosina (C), guanina (G), timina (T) e uracilo (U). Este trabalho foi recompensado em 1910, quando recebeu o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina. A teoria cromossômica da herança No início dos anos 1900, o trabalho de Gregor Mendel foi redescoberto e suas ideias sobre herança começaram a ser devidamente apreciadas. Como resultado, uma inundação de pesquisa começou a tentar e provar ou refutar suas teorias de como as características físicas são herdados de uma geração para outra. Em meados do século XIX, Walther Flemming, um anatomista da Alemanha, descobriu uma estrutura fibrosa dentro do núcleo das células. Ele chamou esta estrutura de "cromatina", mas o que ele realmente descobriu é o que agora conhecemos como cromossomos. Ao observar esta cromatina, Walther corretamente entendeu como os cromossomos se separam durante a divisão celular, também conhecida como mitose. A teoria cromossômica da herança foi desenvolvida principalmente por Walter Sutton e Theodor Boveri. Eles apresentaram a ideia de que o material genético transmitido de pai para filho está dentro dos cromossomos. Seu trabalho ajudou a explicar a herança. Padrões que Gregor Mendel tinha observado mais de um século antes. Curiosamente, Walter Sutton e Theodor Boveri estavam realmente trabalhando de forma independente durante o final dos anos Walter estudou cromossomos de gafanhotos, enquanto Theodor estudou embriões de vermes. Entretanto, seu trabalho veio junto em uma união perfeita, junto com as descobertas de alguns outros cientistas, para dar forma à teoria cromossômica da herança. O recém graduado, Walter Sutton, expandiu a observação de Theodor através de seu trabalho com o gafanhoto. Ele descobriu que era possível distinguir os cromossomos individuais submetidos a meiose nos testículos do gafanhoto e, por isso, ele identificou corretamente o cromossomo sexual. Na declaração final de seu artigo de 1902, ele resumiu a teoria cromossômica da herança baseada nesses princípios: Os cromossomos contêm o material genético. Os cromossomos são transmitidos do pai para a prole. Cromossomos são encontrados em pares no núcleo da maioria das células (durante a meiose esses pares se separam para formar células filhas). Durante a formação de células de esperma e óvulos em homens e mulheres, respectivamente, os cromossomas separam. Cada pai contribui com um conjunto de cromossomos para a sua prole.

4 Revelando o DNA como a molécula da vida Como o DNA foi descoberto como portador de informações genéticas? Na primeira metade do século 20, os cientistas continuaram a acreditar que as proteínas em cromossomos formavam a base da informação genética que foi passada de geração em geração. Para eles, DNA era uma molécula muito simples para ser capaz de transportar esse tipo de informação complexa e as proteínas mostraram uma variação muito maior. No entanto, uma série de experimentos conduzidos por vários grupos de cientistas começaram a revelar que, na verdade, foi o DNA, não a proteína, que carrega a informação genética. Experiência de Avery-Macleod-McCarty Em 1944, Oswald Avery, Colin MacLeod e Maclyn McCarty ajudaram a demonstrar o papel do DNA como portador de informações genéticas trabalhando com a bactéria que causa pneumonia, Streptococcus pneumoniae. No entanto, seu trabalho foi considerado um começo por um bacteriologista britânico chamado Frederick Griffith, que identificou algo chamado de "princípio transformador". Frederick estudou duas estirpes da bactéria Streptococcus pneumoniae. Uma delas, chamada de cepa S, tinha paredes lisas e era fatal quando injetada em camundongos. A segunda estirpe, R, tinha paredes ásperas e não era fatal quando injetada em camundongos. A cepa de S era lisa devido a um revestimento feito fora dos açúcares que ajudaram protegê-lo do sistema imunitário do rato. As rugosas, bactérias R eram ásperas porque não tinham um revestimento de açúcar, e por isso não estavam protegidas do sistema imunológico do rato. Frederick realizou uma série de experimentos para investigar ainda mais as cepas. 1. Primeiro ele matou bactérias S com calor e as injetou nos ratos. Os ratos sobreviveram. 2. Ele então injetou as bactérias S mortas pelo calor junto com bactérias vivas de R. Os ratos morreram. 3. Depois de estudar o sangue desses ratos, ele ficou surpreso ao encontrar bactérias S vivas, de alguma forma as bactérias R rústicas se transformaram em bactérias S lisas. 4. Ele então chegou à conclusão de que havia um "princípio transformador" responsável por isso. Mas o que exatamente aconteceu? Foram as proteínas nas bactérias, a camada de açúcar nas bactérias S? o sistema imunológico do rato? ou os ácidos nucleicos RNA? E DNA?

5 Oswald Avery e seus colegas. Trabalhando em tubos de ensaio, eles usaram detergente para quebrar as células S mortas pelo calor para separar os diferentes componentes: Eles então destruíram os componentes um por um para identificar qual componente era o "princípio transformador". 1. Primeiro eles combinaram as bactérias S mortas pelo calor com uma enzima que quebrou o envoltório de açúcar liso. Eles então misturaram as bactérias S sem açúcar com as bactérias R e descobriram que as bactérias R ainda se transformaram em bactérias S. Assim, o "princípio transformador" não estava no casaco de açúcar. 2. Em seguida, adicionaram enzimas de digestão de proteínas para destruir toda a proteína nas bactérias e, novamente, quando misturado com bactérias R, o R transformado em S. Portanto, o "princípio de transformação" também não era claramente uma proteína. 3. Em seguida, eles isolaram os ácidos nucleicos, DNA e RNA, usando álcool. Eles então destruíram o RNA usando a enzima RNase, deixando apenas o DNA para trás. Eles misturaram-na com as bactérias R, e ainda ocorreu a transformação de R para S. Então, não era RNA. 4. Finalmente, eles destruíram o DNA na solução usando DNase, misturaramna com as bactérias R, e nenhuma transformação ocorreu, as bactérias R permaneceram ásperas. Assim, o "princípio transformador" deve ser o DNA!

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7 O que é DNA? DNA ou ácido desoxirribonucleico é uma molécula longa que contém nosso código genético exclusivo. Como um livro de receitas que contém as instruções para fazer todas as proteínas em nossos corpos. Seu genoma é feito de um produto químico chamado ácido desoxirribonucleico ou ADN - DNA. DNA contêm quatro blocos de construção básicos ou 'bases: Adenina? (A), citosina? (C), guanina? (G) e timina? (T). A ordem, ou sequência, destas bases formam as instruções no genoma. O DNA é uma molécula de duas cadeias. O DNA tem uma forma única de "hélice dupla", como uma escada torcida. A imagem mostra a estrutura em dupla hélice do DNA Fonte: Genome Research Limited

8 Cada fita é composta por sequências longas das quatro bases, A, C, G e T. As bases em uma cadeia da molécula de DNA emparelham com complementar. Bases na cadeia de DNA oposta para formar os "degraus" da "escada" de DNA. As bases sempre se unem da mesma maneira, A com T, C com G. Assim, a quantidade de A sempre é igual a de T e a quantidade de C é a mesma que a de G. No entanto, a quantidade de A + T não é necessariamente igual à C + G. Em adição, a quantidade total de nucleotídeos pirimidínicos (C + T) é sempre igual à quantidade total de nucleotídeos purínicos (A + G). Cada par de bases é unido por ligações de hidrogénio. Cada cadeia de DNA tem um começo e um fim, chamados 5 ' e 3', respectivamente. As duas cadeias funcionam na direcção oposta (antiparalelo) uma à outra de modo que uma corre de 5 'a 3' e uma corre de 3 'a 5'. As cadeias são separadas durante a replicação do ADN. No arcabouço de cada filamento os nucleotídeos são ligados covalentemente por ligações fosfodiéster que conecta o carbono 5 de uma desoxirribose ao carbono 3 do açúcar adjacente. Desse modo, cada ligação açúcar-fosfato é dita como sendo de polaridade 5 para 3 Esta estrutura de dupla hélice foi descoberta pela primeira vez por Francis Crick e James Watson com a ajuda de Rosalind Franklin e Maurice Wilkins. O genoma humano é feito de 3,2 bilhões de bases de DNA, mas outros organismos têm diferentes tamanhos de genoma.

9 Estrutura química da molécula de DNA. Nucleotídeos Os nucleotídeos são blocos de construção dos ácidos nucléicos (ADN e ARN) formados pela associação de 3 moléculas uma base nitrogenada, um grupamento fosfato e um glicídio do grupo das pentoses.

10 Desta forma, podemos ter variações dentro destes ligantes, como, por exemplo: no DNA temos a presença da pentose desoxirribose, enquanto que no RNA temos a presença da pentose ribose. Podemos ainda, quanto à formação dos ácidos nucleicos, ter nucleotídeos diferentes em relação à base nitrogenada que o compõe, podendo esta ser púrica ou pirimídica. As bases púricas variam em Adenina e Guanina, enquanto que as bases pirimídicas são classificadas em Timina, Uracila e Citosina. Bases púricas e pirimídicas são complementares e possuem, cada uma, ligantes específicos. Assim, temos que a base púrica Adenina, se liga com as bases pirimídicas Timina e Uracila, enquanto que a base Guanina se liga exclusivamente à Citosina e viceversa.