9.1: A estrutura do DNA
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Na década de 1950, Francis Crick e James Watson trabalharam juntos na Universidade de Cambridge, Inglaterra, para determinar a estrutura do DNA. Outros cientistas, como Linus Pauling e Maurice Wilkins, também estavam explorando ativamente esse campo. Pauling descobriu a estrutura secundária das proteínas usando a cristalografia de raios-X. A cristalografia de raios-X é um método para investigar a estrutura molecular observando os padrões formados pelos raios X disparados através de um cristal da substância. Os padrões fornecem informações importantes sobre a estrutura da molécula de interesse. No laboratório de Wilkins, a pesquisadora Rosalind Franklin estava usando a cristalografia de raios-X para entender a estrutura do DNA. Watson e Crick conseguiram montar o quebra-cabeça da molécula de DNA usando os dados de Franklin (Figura\(\PageIndex{1}\)). Watson e Crick também tinham informações importantes disponíveis de outros pesquisadores, como as regras de Chargaff. Chargaff mostrou que dos quatro tipos de monômeros (nucleotídeos) presentes em uma molécula de DNA, dois tipos estavam sempre presentes em quantidades iguais e os dois tipos restantes também estavam sempre presentes em quantidades iguais. Isso significava que eles estavam sempre emparelhados de alguma forma. Em 1962, James Watson, Francis Crick e Maurice Wilkins receberam o Prêmio Nobel de Medicina por seu trabalho na determinação da estrutura do DNA.
Agora vamos considerar a estrutura dos dois tipos de ácidos nucléicos, ácido desoxirribonucléico (DNA) e ácido ribonucléico (RNA). Os blocos de construção do DNA são os nucleotídeos, que são compostos por três partes: uma desoxirribose (açúcar de 5 carbonos), um grupo fosfato e uma base nitrogenada (Figura\(\PageIndex{2}\)). Existem quatro tipos de bases nitrogenadas no DNA. A adenina (A) e a guanina (G) são purinas de anel duplo, e a citosina (C) e a timina (T) são pirimidinas menores de anel único. O nucleotídeo é nomeado de acordo com a base nitrogenada que contém.
O grupo fosfato de um nucleotídeo se liga covalentemente com a molécula de açúcar do próximo nucleotídeo e assim por diante, formando um longo polímero de monômeros nucleotídicos. Os grupos açúcar-fosfato se alinham em uma “espinha dorsal” para cada fita única de DNA, e as bases nucleotídicas se destacam dessa espinha dorsal. Os átomos de carbono do açúcar de cinco carbonos são numerados no sentido horário a partir do oxigênio como 1', 2', 3', 4' e 5' (1' é lido como “um primo”). O grupo fosfato está ligado ao carbono 5' de um nucleotídeo e ao carbono 3' do próximo nucleotídeo. Em seu estado natural, cada molécula de DNA é, na verdade, composta por duas fitas simples mantidas juntas ao longo de seu comprimento com ligações de hidrogênio entre as bases.
Watson e Crick propuseram que o DNA é composto por duas fitas que são torcidas uma em volta da outra para formar uma hélice destra, chamada de dupla hélice. O emparelhamento de bases ocorre entre uma purina e uma pirimidina: ou seja, pares A com T e G pares com C. Em outras palavras, adenina e timina são pares de bases complementares, e citosina e guanina também são pares de bases complementares. Essa é a base da regra de Chargaff; por causa de sua complementaridade, há tanta adenina quanto timina em uma molécula de DNA e tanta guanina quanto citosina. A adenina e a timina são conectadas por duas ligações de hidrogênio, e a citosina e a guanina são conectadas por três ligações de hidrogênio. Os dois fios são de natureza anti-paralela; ou seja, um fio terá o carbono 3' do açúcar na posição “ascendente”, enquanto o outro fio terá o carbono 5' na posição ascendente. O diâmetro da dupla hélice do DNA é uniforme por toda parte porque uma purina (dois anéis) sempre emparelha com uma pirimidina (um anel) e seus comprimentos combinados são sempre iguais (Figura\(\PageIndex{3}\)).
A estrutura do RNA
Há um segundo ácido nucléico em todas as células chamado ácido ribonucléico, ou RNA. Como o DNA, o RNA é um polímero de nucleotídeos. Cada um dos nucleotídeos do RNA é composto por uma base nitrogenada, um açúcar de cinco carbonos e um grupo fosfato. No caso do RNA, o açúcar de cinco carbonos é ribose, não desoxirribose. A ribose tem um grupo hidroxila no carbono 2', ao contrário da desoxirribose, que tem apenas um átomo de hidrogênio (Figura\(\PageIndex{4}\)).
Os nucleotídeos de RNA contêm as bases nitrogenadas adenina, citosina e guanina. No entanto, eles não contêm timina, que é substituída pelo uracil, simbolizado por um “U”. O RNA existe como uma molécula de fita simples em vez de uma hélice de fita dupla. Os biólogos moleculares nomearam vários tipos de RNA com base em sua função. Isso inclui RNA mensageiro (mRNA), RNA de transferência (tRNA) e RNA ribossômico (rRNA) - moléculas que estão envolvidas na produção de proteínas a partir do código de DNA.
Como o DNA é organizado na célula
O DNA é uma molécula funcional; ele deve ser replicado quando uma célula está pronta para se dividir e deve ser “lido” para produzir as moléculas, como as proteínas, para realizar as funções da célula. Por esse motivo, o DNA é protegido e empacotado de maneiras muito específicas. Além disso, as moléculas de DNA podem ser muito longas. Esticadas de ponta a ponta, as moléculas de DNA em uma única célula humana chegariam a um comprimento de cerca de 2 metros. Assim, o DNA de uma célula deve ser empacotado de uma forma muito ordenada para caber e funcionar dentro de uma estrutura (a célula) que não é visível a olho nu. Os cromossomos dos procariontes são muito mais simples do que os dos eucariotos em muitas de suas características (Figura\(\PageIndex{5}\)). A maioria dos procariontes contém um único cromossomo circular que é encontrado em uma área do citoplasma chamada nucleóide.
O tamanho do genoma em um dos procariontes mais bem estudados, a Escherichia coli, é de 4,6 milhões de pares de bases, que estenderiam uma distância de cerca de 1,6 mm se estendidos. Então, como isso se encaixa dentro de uma pequena célula bacteriana? O DNA é torcido além da dupla hélice no que é conhecido como superenrolamento. Sabe-se que algumas proteínas estão envolvidas no superenrolamento; outras proteínas e enzimas ajudam na manutenção da estrutura superenrolada.
Os eucariotos, cujos cromossomos consistem cada um em uma molécula linear de DNA, empregam um tipo diferente de estratégia de empacotamento para encaixar seu DNA dentro do núcleo (Figura\(\PageIndex{6}\)). No nível mais básico, o DNA é envolvido em proteínas conhecidas como histonas para formar estruturas chamadas nucleossomos. O DNA é enrolado firmemente ao redor do núcleo da histona. Esse nucleossomo está ligado ao próximo por uma pequena fita de DNA livre de histonas. Isso também é conhecido como estrutura de “contas em uma corda”; os nucleossomos são as “contas” e os pequenos comprimentos de DNA entre eles são a “corda”. Os nucleossomos, com seu DNA enrolado em torno deles, se acumulam de forma compacta um sobre o outro para formar uma fibra de 30 nm de largura. Essa fibra é ainda enrolada em uma estrutura mais espessa e compacta. No estágio metafásico da mitose, quando os cromossomos estão alinhados no centro da célula, os cromossomos estão mais compactados. Eles têm aproximadamente 700 nm de largura e são encontrados em associação com proteínas de suporte.
Na interfase, a fase do ciclo celular entre as mitoses na qual os cromossomos são descondensados, os cromossomos eucarióticos têm duas regiões distintas que podem ser distinguidas pela coloração. Há uma região bem compactada com manchas escuras e uma região menos densa. As regiões de coloração escura geralmente contêm genes que não estão ativos e são encontrados nas regiões do centrômero e dos telômeros. As regiões de coloração leve geralmente contêm genes ativos, com DNA empacotado em torno dos nucleossomos, mas não compactado ainda mais.
CONCEITO EM AÇÃO
Assista a esta animação de embalagens de DNA.
Resumo
O modelo da estrutura de dupla hélice do DNA foi proposto por Watson e Crick. A molécula de DNA é um polímero de nucleotídeos. Cada nucleotídeo é composto por uma base nitrogenada, um açúcar de cinco carbonos (desoxirribose) e um grupo fosfato. Existem quatro bases nitrogenadas no DNA, duas purinas (adenina e guanina) e duas pirimidinas (citosina e timina). Uma molécula de DNA é composta por duas cadeias. Cada fita é composta por nucleotídeos unidos covalentemente entre o grupo fosfato de um e o açúcar desoxirribose do próximo. A partir dessa espinha dorsal, estenda as bases. As bases de uma fita se ligam às bases da segunda fita com ligações de hidrogênio. A adenina sempre se liga à timina e a citosina sempre se liga à guanina. A ligação faz com que os dois fios espiralem um ao redor do outro em uma forma chamada de dupla hélice. O ácido ribonucleico (RNA) é um segundo ácido nucléico encontrado nas células. O RNA é um polímero de nucleotídeos de fita simples. Também difere do DNA porque contém o açúcar ribose, em vez de desoxirribose, e o nucleotídeo uracil em vez de timina. Várias moléculas de RNA funcionam no processo de formação de proteínas a partir do código genético no DNA.
Os procariontes contêm um único cromossomo circular de fita dupla. Os eucariotos contêm moléculas de DNA linear de fita dupla empacotadas em cromossomos. A hélice do DNA é enrolada em torno de proteínas para formar nucleossomos. As bobinas de proteína são ainda mais enroladas e, durante a mitose e a meiose, os cromossomos ficam ainda mais enrolados para facilitar sua movimentação. Os cromossomos têm duas regiões distintas que podem ser distinguidas por coloração, refletindo diferentes graus de empacotamento e determinadas pelo fato de o DNA em uma região estar sendo expresso (eucromatina) ou não (heterocromatina).
Glossário
- desoxirribose
- uma molécula de açúcar de cinco carbonos com um átomo de hidrogênio em vez de um grupo hidroxila na posição 2'; o componente açucarado dos nucleotídeos de DNA
- dupla hélice
- a forma molecular do DNA na qual duas fitas de nucleotídeos se enrolam em torno uma da outra em forma de espiral
- base nitrogenada
- uma molécula contendo nitrogênio que atua como base; geralmente se referindo a um dos componentes de purina ou pirimidina dos ácidos nucléicos
- grupo fosfato
- um grupo molecular que consiste em um átomo central de fósforo ligado a quatro átomos de oxigênio