DUPLA-HÉLICE (Watson & Crick 1952)

Descoberta do DNA :

As informações sobre hereditariedade vieram de estudos não de biólogos, e sim de químicos. Eles descobriram a existência de substância no núcleo da célula, separando-as em proteínas e moléculas – daí o termo dos ácidos nucléicos.

Um químico russo, Phoebus A T Levene (1869-1940), foi pioneiro nesses estudos de ácidos nucléicos. Em 1909, Levene identificou a ribose, um açúcar de um dos tipos de ácido nucléicos (RNA), e identificou alguns componentes do outro ácido nucléico.

Levene e seus amigos formaram a primeira concepção de que as moléculas de proteínas armazenavam todas as informações genéticas nos cromossomos (e não o DNA). Por décadas foi pesquisado para que se achasse algum tipo de mecanismo que copiasse genes nas proteínas.

Em 1944, Oswald T Avery e colaboradores, publicaram resultados sobre a existênica do DNA. Suas conclusões partiram de estudos de um bacteriologista, que pesquisava sobre bactérias causadoras de pneumonia. Esta antes, em 1928, percebeu que havia uma substância que permitia a transmissão de características do organismo morto para o vivo, isto com as pesquisas de Avery mostrou-se ser o DNA.

Depois disso Chargaff, outro pesquisador, concluiu a proporção de compostos no DNA, adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T). Em 1950, Chargaff determinou a quantidade exata dessas bases no DNA – C igual a G e A igual a T.

Estas descobertas foram muito importantes para os estudos de Watson e Crick, que modularam a correta estrutura do DNA.

A descoberta da dupla hélice

Em 1951, Watson e Crick, começaram a pesquisar, secretamente, sobre a estrutura do DNA, e a partir de um raio- X puderam concluir que sua estrutura era formada por duas “hélices”, porém não tinham a explicação teórica e química para o encaixe dos componentes do DNA – a “coluna vertebral” e as quatros bases (A,T,C,G), em forma helicoidal.

Eles então, começaram a pesquisar para a explicação dessa estrutura helicoidal, e com a ajuda do cristalógrafo, Jerry Donahue, em 1953 finalmente concluiu que “um par da A-T mantido junto por duas ligações de hidrogênio apresentava forma idêntica à de um par G-C”.

Essa ligação e esse emparelhamento resolveram o último problema que enfrentavam, pois explicavam porque os dois tipos de pares de bases eram idênticos na forma, de modo que a estrutura da hélice dupla seria composta de ângulos e rotação uniformes. Essa foi a revelação crucial que lhes permitiu a começar a fazer os cálculos matemáticos finais e iniciar a construção de um modelo de madeira e metal.

Após o término do modelo, verificou-se que todas as moléculas de DNA consistem em duas faixas espiraladas, como corrimãos de uma escada em espiral. Daí o nome que se celebrizou com a descoberta de Watson-Crick: a hélice-dupla.

Segundo o modelo proposto por Watson & Crick seria de que uma molécula da DNA é constituída por duas cadeias paralelas de nucleotídeos unidos em seqüência. Essas cadeias dispõem-se num espaço helicoidalmente: daí a denominação dupla - hélice.

CADEIAS DO DNA

A imagem abaixo mostra uma representação simplificada de um nucleotídeo. P representa a molécula de fosfato, S representa o açúcar (desoxirribose), e B representa uma das quatro bases nitrogenadas.

As bases permanecem unidas por fracas pontes de hidrogênio, e são estas pontes de hidrogênio as responsáveis pela manutenção da estrutura de dupla hélice do DNA. Uma imagem ilustrando como os pares de base se unem por pontes de hidrogênio é mostrada abaixo (As linhas azuis representam as pontes de hidrogênio).

Os carbonos da desoxirribose são numerados sequencialmente da direita para a esquerda. O primeiro carbono é 1' (lê-se como um linha), o segundo é 2' (dois linha), e assim sucessivamente. A base nitrogenada liga-se ao carbono 1', e o grupo fosfato ao carbono 5'. O nucleotídeo abaixo é ligado covalentemente ao carbono 3'. Isto permite que uma longa fita seja construída. Um exemplo de uma fita única de DNA é mostrada abaixo.

As ligações que unem as duas cadeias de uma molécula de DNA (pontes de hidrogênio), ocorrem somente entre pares de bases nitrogenadas específicos. A Adenina (A) de uma cadeia formada pontes de hidrogênio apenas com a base Timina (T). O mesmo acontece com a Guanina (G) de uma cadeia formada pontes de hidrogênio apenas com a base Citosina (C) da outra cadeias, e vice versa. Assim as duas cadeias de molécula de DNA são rigorosamente complementares. A quantidade de timina e igual a de adenina e a de citosina sempre igual a de guanina (A/T=1 e C/G=1), descoberta pelo austríaco Erwin Chargaff.

O fato de as seqüências de bases das duas cadeias de DNA serem complementares permite deduzir as seqüência de bases de uma cadeia a partir da outra.

As letras da coluna à esquerda (azul) correspondem às bases que ocupam a primeira posição na trinca. As letras da parte superior (vermelha) correspondem às bases que ocupam a segunda posição na trinca. As letras na coluna à direita (verde) correspondem às bases que ocupam a segunda posição na trinca. As letras da coluna à direita (verde) correspondem às bases que ocupam a terceira posição na trinca. O código genético é chamado de degeneração, pois quase todos os aminoácidos têm mais de uma trinca que os codifica. Apenas dois aminoácidos são codificados por uma única trinca. Há, também, três trincas sem sentido, que não codificam nenhum aminoácido; elas correspondem a pontuações na molécula de DNA, que indicam onde termina a codificação de uma proteína.

Cromossomas
Os cromossomas são vetores da hereditariedade e todos os seres vivos são caracterizados pela informação contida num número constante para cada espécie.

Bactérias - - - 1

Esquilo - - - 46

Rato - - - - 38

Chimpanzé - 48

Homem - - - 46

Figura 2 - Cariotipo humano normal

Cada cromossoma está subdividido em genes. Cada gene é constituído por um fragmento de DNA. O DNA é composto por uma sequência de nucleotidos. Cada nucleotido contem uma base específica. De um modo simplista pode dizer-se que a sucessão exacta destas bases é o código de onde se traduz a diversidade das espécies

Ácidos nucleicos

Cada célula somática humana tem cerca de 6x10⁹ pares de bases de DNA, o equivalente a cerca de 2 metros de DNA linear. A dupla hélice de DNA é enrolada em torno de histonas (proteínas básicas), formando nucleossomas. Esta estrutura enrola-se, depois, sobre si própria de modo a que a forma em X, característica do cromossoma visível durante a metafase seja 8 000 vezes mais curta que o DNA que contém. (Figura 3)

Figura 3 Representação esquemática do empacotamento do ADN na estrutura cromossômica

O DNA é o suporte químico da hereditariedade e controlador dos processos vitais em todos os organismos, excepto para fagos e alguns vírus de RNA.
Os ácidos nucleicos (DNA e RNA) são constituídos por nucleotidos que podem ser hidrolizados, decompondo-se num grupo fosfato, num açúcar e numa base azotada. (Figura 4)

Figura 4 - Molécula de ADN despiralizada

A estrutura principal (igual em ambos os ácidos) é constituída por repetidos açucares (desoxiribose no ADN e ribose no ARN) ligados a grupos fosfato. No ADN a parte variável determinante da informação genética, é constituída por uma sequência de 4 bases nitrogenadas azotadas: Adenina (A), Guanina (G), Citosina ( C) e Timina (T). No ARN (ácido ribonucleico) estas bases mantêm-se à excepção da Timina que é substituída pelo Uracilo (U).

Uma das características mais importantes do ADN , para além da sua estrutura helicóidal (proposta por Watson e Crick), (Figura 5) é o emparelhamento constante (complementariedade) das suas bases: adenina com a timina e a guanina com a citosina

Os compostos cuja síntese está directamente dependente da informação genética são proteínas.
A informação inscrita no ADN não é directamente utilizada para a síntese proteica, deve ser préviamente transcrita em ARN mensageiro (ARNm), que comanda a incorporação ordenada dos aminoácidos das proteínas.
Cada grupo de 3 nucleótidos (codon) dá origem a um aminoácido especifico. (Quadro 1).

Cada gene codifica para uma cadeia polipéptidica especifica, (dogma central da genética). (Figura 6)

Replicação: ou duplicação do ADN em ADN, necessária à conservação da informação genética. Ocorre antes da divisão, de forma a que as duas células filhas possam herdar esta informação (qualitativa e quantitativamente).

Transcrição: permite a passagem da informação de ADN para ARN, por emparelhamento de bases complementares.

Tradução: Permite a síntese de proteínas especificas, segundo a informação contida no ARNm. Este mecanismo ocorre no ribossoma.

Figura 6: O dogma central da Biologia molecular, postula que a transição de ADN a proteína é feita nesta sequência e não proteína-ADN

Genes

A quase totalidade das sequências genómicas nos procariotas, é informativa, mas nos eucariotas superiores sómente cerca de 5% do genoma é expresso. A maior parte dos genes estruturais conhecidos contêm segmentos não informacionais (introns) que se intercalam nas sequências informacionais.

Actualmente pensa-se que estas regiões não codificantes desempenham funções de controlo e regulação do RNAt12, dos genes e contribuem significativamente para a variabilidade de fenotipos observados nas doenças humanas. (Figura 7)

Figura 7 -Excisão dos introns antes da tradução do ARN em proteína

Os Introns e Exons do gene são transcritos em pré-ARN. As sequências não codificantes são removidas e as codificantes ligam-se formando o ARNm, que em associação com os ribossomas e o ARN de transferência (ARNt) é traduzido em proteína, no citoplasma da célula. Cada molécula de ARNt transporta um aminoácido específico associado a um grupo de 3 bases (anti codon) complementares às do ARNm a ser traduzido. A formação do péptideo inicia-se no codon de iniciação (AUG) e os aminoácidos vão-se ligando entre si à medida que o ARNm é lido no ribossoma. A tradução, das bases em aminoácidos, termina quando o ribossoma detecta um codão de terminação (UGA, UAG ou UAA). (Figura 8)

Figura 8. Cada codon de ARNm liga-se ao respectivo codon de ARN t, que transporta um aminoacido especifico. O ribossoma move-se ao longo do ARN m , ligando-se nos final os aminoacidos na sequência exacta da proteína codificada

Nos procariotas, o encadeamento dos aminoácidos reflecte exactamente o encadeamento dos codons de ARN mensageiro e este é uma cópia estritamente complementar do ADN (colinearidade gene-proteína).

A especificidade genética do indivíduo e da espécie reside na sequência de nucleotidos das cadeias de ácidos nucleicos, ao nível do genotipo e ao nível do fenotipo, na sequência dos aminoácidos das cadeias polipeptidicas que formam as proteínas. São as moléculas proteicas que condicionam as formas e as funções do organismo.

Uma só célula não expressa todos os seus genes. Alguns são expressos em baixos níveis nas células, outros são específicos de um tecido e expressos só em determinados tipos de tecidos ou células.

Uma mutação ao nível de um dado gene traduz-se geralmente pela ausência de uma proteína ou por alterações aquando da sua síntese. Estas modificações podem não ter influência sobre as propriedades da proteína, mas podem também ser a causa de doenças graves.
As características normais são provavelmente devidas à acção de vários genes, cada um produzindo um efeito cumulativo, ou por combinação de genes actuando em concerto.

Cromossomas
Os cromossomas são vectores da hereditariedade e todos os seres vivos são caracterizados pela informação contida num número constante para cada espécie. O DNA é o suporte químico da hereditariedade e controlador dos processos vitais em todos os organismos, excepto para fagos e alguns vírus de RNA.
Os ácidos nucleicos (DNA e RNA) são constituídos por nucleotidos que podem ser hidrolizados, decompondo-se num grupo fosfato, num açúcar e numa base azotada.
Cada célula somática humana tem cerca de 6x10⁹ pares de bases de DNA, o equivalente a cerca de 2 metros de DNA linear. Os compostos cuja síntese está directamente dependente da informação genética são proteínas. GENES: A quase totalidade das sequências genómicas nos procariotas, é informativa, mas nos eucariotas superiores sómente cerca de 5% do genoma é expresso.

A maior parte dos genes estruturais conhecidos contêm segmentos não informacionais (introns) que se intercalam nas sequências informacionais Cada molécula de ARNt transporta um aminoácido específico associado a um grupo de 3 bases (anti codon) complementares às do ARNm a ser traduzido. A formação do péptideo inicia-se no codon de iniciação (AUG) e os aminoácidos vão-se ligando entre si à medida que o ARNm é lido no ribossoma Uma só célula não expressa todos os seus genes. Alguns são expressos em baixos níveis nas células, outros são específicos de um tecido e expressos só em determinados tipos de tecidos ou células. As características normais são provavelmente devidas à acção de vários genes, cada um produzindo um efeito cumulativo, ou por combinação de genes actuando em concerto.