O modelo da dupla hélice

A descoberta de que o DNA era realmente o material hereditário fez com que diversos pesquisadores voltassem sua atenção para a elucidação da estrutura dessa molécula. A pergunta que se fazia na época era:

Que características permitiam ao DNA ser o banco de memória da informação hereditária ?

O grande desenvolvimento das técnicas biofísicas e bioquímicas que havia ocorrido no período pós-Segunda Guerra Mundial, permitiu que, em menos de 10 anos, a estrutura físico-química do DNA fosse elucidada.

A descoberta de Chargaff

No período de 1949 a 1953, estudos realizados no laboratório de Erwin Chargaff1 (1905-2002), deram uma contribuição importante para a elucidação da estrutura do DNA.

Chargaff e colaboradores buscaram quantificar cada um dos tipos de base nirogenada do DNA (adenina, timina, citosina e guanina) de várias espécies. Para isso utilizaram métodos de cromatografia.

Podemos ver na tabela a seguir alguns dos resultados obtidos:

Tabela I: Proporções molares de bases em DNA de diversas espécies

Organismo Tecido A T G C A+T
G+C
E. coli - 26,0 23,9 24,9 25,2 1,00
S. pneumoniae - 29,8 31,6 20,5 18,0 1,59
M. tuberculosis - 15,1 14,6 34,9 35,4 0,42
Levedura - 31,3 32,9 18,7 17,1 1,79
Ouriço do mar esperma 32,8 32,1 17,7 18,4 1,85
Arenque esperma 27,8 27,5 22,2 22,6 1,23
Rato medula óssea 28,6 28,4 21,4 21,5 1,33
Homem timo 30,9 29,4 19,9 19,8 1,52
Homem fígado 30,3 30,3 19,5 19,9 1,53
Homem esperma 30,7 31,2 19,3 18,8 1,62

Os resultados que Chargaff e sua equipe conseguiram, levaram a importantes conclusões sobre a composição de bases nitrogenadas do DNA. Foi verificado que:

1 – Essa composição variava de uma espécie pra outra, mas que era constante dentro da mesma espécie.
2 – Em qualquer DNA, de qualquer espécie, a porcentagem da base timina era sempre igual a da base adenina, e a porcentagem da base citosina era igual a da base guanina.

Ou seja, enquanto a proporção entre as bases varia entre as espécies, o total de base púricas (A + G) é igual ao total de bases pirimídicas (T + C):

A = 1
T
G = 1
C
A + G = 1
T + C

Análises por difração de raios X

Enquanto alguns grupos se dedicavam à análise química do DNA, ou tros estudavam a estrutura da molécula por meio da difração de raios-X, uma metodologia que vinha sendo usada e que estava dando formidáveis conclusões sobre a estrutura das proteínas.

Os resultados mais importantes de difração de raios-x sobre a molécula de DNA foram obtidos por Maurice Wilkins2 (n. 1916) e Rosalind Franklin3 (1920 – 1958). Os resultados obtidos indicavam que o DNA tinha uma estrutura helicoidal.

Mas, de que maneira as fotografias obtidas por difração de raios-x indicavam essa estrutura helicoidal do DNA? A seguir podemos ver uma imagem obtida pela difração de raios-x. Ao clicar na imagem abaixo, podemos ver uma breve explicação sobre como a difração de raio-x funciona elucidando a estrutura da molécula de DNA.

Figura 1: Reprodução parcial da figura original: http://home.sandiego.edu/~cloer/bio182s02/dna_xray.gif

Com base nos dados bioquímicos e cristalográficos então disponíveis, diversos modelos para o DNA foram propostos. Alguns autores imaginaram que a molécula fosse constituída por duas fitas polinucleotídicas com as bases voltadas para dentro, porém sem qualuqer relação específica entre elas. Outros imaginaram duas fitas com as bases voltadas para fora, ou ainda, três fitas entrelaçadas com as bases também voltadas para fora.

A descoberta de Watson e Crick

Em 1953, James Watson4 (n. 1928) e Francis Crick5 (n. 1916) apresentaram um modelo compatível com os resultados experimentais que haviam sido obtiodos até o momento. Esse modelo serviu de base para experimentos históricos que confirmaram sua hipótese inicial. A estratégia empregada por esses dois pesquisadores foi a construção de um modelo molecular que levava em conta o tamanho e configuração espacial dos nucleotídeos e ainda respeitava os dados de Chargaff e os dados obtidos pela difração de raios-X.

Segundo o modelo proposto por Watson e Crick, a molécula de DNA é constituída por duas cadeias polinucleotídicas dispostas em hélice ao redor de um eixo imaginário, girando para a direita (uma hélice dupla).

Figura 2: http://www.ocf.berkeley.edu/~bsj/images/dna.gif

As duas cadeias polinucleotídicas mantém-se unidas por pontes de hidrogênio, que se estabelecem entre pares de bases específicos: adenina com timina e citosina com guanina. Assim, as duas cadeias que constituem um segmento de DNA, são complementares entre si: onde em uma cadeia xistir uma timina, na outra existirá uma adenina, e onde em uma existir uma guanina, na outra existirá uma citosina.

Além disso, o modelo prediz que as duas cadeias polinucleotídicas sã antiparalelas, ou seja, elas tem polaridades opostas. As ligações fosfodiesterestão orientadas no sentido 3′ => 5′, ou seja, do carbono 3′ de um nucleotídeo ao carbono 5′ do nucleotídeo adjacente, enquanto que na fita complementar a orientação é inversa, do carbono 5′ ao 3′ (5′ => 3′).

Figura 4 - http://www.ncbi.nlm.nih.gov:80/books/bookres.fcgi/mga/ch2f2.gif

Na figura 4, vemos um arranjo dos componentes do DNA. Um segmento da dupla hélice do DNA foi aberto aberto para mostrar as estruturas claramente:

(a) Um diagrama químico detalhado mostrando o esqueleto de açúcar-fosfato em azul e o hidrogênio ligando as bases no centro da molécula. Podemos ver o emparelhamento das bases (A-T, C-G).
(b) Uma versão simplificada do mesmo segmento, enfatizando o arranjo antiparalelo dos nucleotídeos, que está representado como as estruturas das figuras-L com o fosfato 5 na ponta do “L” e o 3 no vértice do “L”.

Os estudos de difração de raios-X haviam revelado que o diâmetro externo da dupla hélice é de cerca de 2 nm, enquanto que a distância entre os açúcares é de 1,1 nm. Assim, os pares de bases A-T e C-G têm o diâmetro exato para caber dentro da dupla hélice. Isso indicou que uma purina sempre se emparelha com uma pirimidina, porque o emparelhamento purina-purina ou pirimidina-pirimidina não tem diâmetros que se ajustem ao diâmetro interno da dupla hélice.

A hélice dá uma volta completa a cada 3,4 nm, que corresponde a cerca de 10 pares de bases. Assim, a distância entre dois pares de bases vizinhus é de 0,34 nm. As bases timina e adenina são emparelhadas por duas pontes de hidrogênio, enquanto que a guanina com a citosina são emparelhadas por três pontes de hidrogênio,como podemos ver na figura 3 acima.

Se pensarmos na hélice de DNA como uma estrutura cilindríca, com cerca de 2 nm de diâmetro, notaremos que a superfície da molécula é irregular, formando 2 sulcos ou depressões, de tamanhos diferentes, que giram ao longo de todo o seu comprimento. O sulco menor, resulta da depressão entre as duas cadeias complementares, enquanto que o sulco maior resulta da depressão existente entre os giros adjacentes da hélice. Os sulcos são importantes porque deixam livres superfícies para a interação entre o DNA e as proteínas.

Figura 5 - http://www.ncbi.nlm.nih.gov:80/books/bookres.fcgi/mga/ch2f3.gif


1 – Para saber mais sobre Erwin Chargaff (1905-2002):

Imagem retirada de http://osulibrary.orst.edu/specialcollections/coll/pauling/dna/pictures/chargaff.jpg

Informações sobre Erwin Chargaff

Biografia resumida de Erwin Chargaff


2 – Para saber mais sobre Maurice Wilkins (n. 1916):

Imagem retirada de http://www.nobel.se/medicine/laureates/1962/wilkins.gif

Biografia de Maurice Wilkins


3 – Para saber mais sobre Rosalind Franklin (1920-1958):


Imagem retirada de http://www.accessexcellence.org/AB/BC/franklin.gif

Biografia:

http://www.accessexcellence.org/AB/BC/Rosalind_Franklin.html

http://www.sdsc.edu/ScienceWomen/franklin.html

http://www.pbs.org/wgbh/aso/databank/entries/bofran.html


4 – Para saber mais sobre James Watson (n.1928):

Imagem retirada de http://www.cshl.org/public/SCIENCE/photos/watson.jpeg
Biografia:

http://www.cshl.org/public/SCIENCE/Watson.html

http://www.nobel.se/medicine/laureates/1962/watson-bio.html

http://www.mnsu.edu/emuseum/information/biography/uvwxyz/watson_james.html

Assita a uma entrevista de James Watson, clicando no link abaixo:

AVI – 2,3 MB
Vídeo retirado do site http://osulibrary.orst.edu/specialcollections/coll/pauling/dna/videos/dnastory02.avi, traduzido e legendado por Carla C. Alonzo Duclós.


5 – Para saber mais sobre Francis Crick (n.1916):

http://www.nobel.se/medicine/laureates/1962/crick.gif

Biografia:

http://www.nobel.se/medicine/laureates/1962/crick-bio.html

http://www.pbs.org/wgbh/aso/databank/entries/bocric.html

http://www.salk.edu/faculty/faculty/details.php?id=14

Saiba mais sobre Crick:

http://www.accessexcellence.org/AE/AEC/CC/crick.html

Assita a um depoimento de Francis Crick, clicando no link abaixo:
AVI – 1,3 MB
Vídeo retirado do site http://osulibrary.orst.edu/specialcollections/coll/pauling/dna/videos/dnastory01.avi, traduzido e legendado por Carla C. Alonzo Duclós.

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