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Descoberta da estrutura do DNA

A estrutura em dupla hélice do DNA e como foi descoberta. Chargaff, Watson e Crick, e Wilkins e Franklin.

Introdução

Atualmente, a dupla hélice de DNA é provavelmente a mais icónica de todas as moléculas biológicas. Tem inspirado escadas, decorações, pontes pedonais (como a de Singapura, mostrada abaixo) e muito mais.
E há que concordar com os arquitectos e designers: a dupla hélice é uma bela estrutura, cuja forma se enquadra na sua função de uma forma notável. Mas a dupla hélice nem sempre fez parte do nosso léxico cultural. Na verdade, até aos anos 50, a estrutura do DNA permaneceu um mistério.
Créditos de imagem: "Double helix bridge," por William Cho, CC BY-SA 2.0
Neste artigo, vamos explorar brevemente como é que a estrutura de dupla hélice do DNA foi descoberta através do trabalho de James Watson, Francis Crick, Rosalind Franklin e outros investigadores. Depois iremos analisar as propriedades da dupla hélice propriamente dita.

Os componentes do DNA

Devido ao trabalho do bioquímico Phoebus Levene e outros, os cientistas da época de Watson e Crick sabiam que o DNA era composto por subunidades chamadas nucleótidos1. Um nucleótido é composto por um açúcar (desoxirribose), um grupo fosfato e uma das quatro bases azotadas: adenina (A), timina (T), guanina (G) ou citosina (C).
As bases C e T, que têm apenas um anel, são chamadas pirimidinas, enquanto que as bases A e G, que têm dois anéis, são chamadas de purinas.
Painel da esquerda: estrutura de um nucleótido de DNA. O açúcar de desoxirribose está ligado a um grupo fosfato e a uma base azotada. A base pode ser qualquer uma das quatro opções possíveis: citosina (C), timina (T), adenina (A) e guanina (G). As quatro bases têm diferenças na sua estrutura e grupos funcionais. A citosina e a timina são pirimidinas e têm apenas um anel nas suas estruturas químicas. A adenina e a guanina são purinas e têm dois anéis nas suas estruturas.
Painel da direita: uma cadeia de nucleótidos de DNA ligados. Os açúcares estão conectados por ligações fosfodiéster. Uma ligação fosfodiéster consiste num grupo fosfato no qual dois dos átomos de oxigénio estão ligados a outros átomos - neste caso, a átomos de carbono dos açúcares desoxirribose vizinhos. A cadeia de DNA consiste em grupos de fosfatos alternados e açúcares desoxirribose (espinha dorsal de açúcar-fosfato), com as bases azotadas a destacarem-se dos açúcares desoxirribose.
Créditos de imagem: painel da esquerda, imagem adaptada de "Nucleic acids: Figure 1," por OpenStax College, Biology (CC BY 3.0). Painel da direita, imagem adaptada de "DNA chemical structure," por Madeleine Price Ball (CC0/public domain).
Os nucleótidos de DNA reúnem-se em cadeias unidas por ligações covalentes, que se formam entre o açúcar desoxirribose de um nucleótido e o grupo fosfato do nucleótido seguinte. Este arranjo forma uma cadeia alternada de grupos de açúcar desoxirribose e fosfato no polímero de DNA, uma estrutura conhecida como a espinha dorsal do açúcar-fosfato.

As regras de Chargaff

Uma outra peça chave de informação relacionada com a estrutura do DNA veio do bioquímico austríaco Erwin Chargaff. Chargaff analisou o DNA de diferentes espécies, determinando a sua composição de bases A, T, C, e G. Ele fez várias observações-chave:
  • A, T, C e G não foram encontradas em quantidades iguais (tal como alguns modelos da época tinham predito)
  • As quantidades de bases variavam entre espécies mas não entre indivíduos da mesma espécie
  • A quantidade de A igualou sempre a quantidade de T e a quantidade de C igualou sempre a de G (A=T e G=C)
Estas descobertas, chamadas de Regras de Chargaff, acabaram por ser cruciais para o modelo da dupla hélice de Watson e Crick.

Watson, Crick e Rosalind Franklin

No início dos anos 50, o biólogo americano James Watson e o físico britânico Francis Crick criaram o seu famoso modelo da dupla hélice do DNA. Foram os primeiros a cruzar a meta nesta "corrida" científica, com outros como Linus Pauling (que descobriu a estrutura secundária das proteínas) ao tentar, também, encontrar o modelo correcto.
Em vez de realizarem novas experiências no laboratório, Watson e Crick recolheram e analisaram, na sua maioria, os dados existentes, reunindo-os de formas inovadoras e perspicazes 2. Algumas das suas pistas mais cruciais para a estrutura do DNA vieram de Rosalind Franklin, uma química que trabalhava no laboratório do físico Maurice Wilkins.
Franklin era especialista numa técnica poderosa para determinar a estrutura das moléculas, conhecida como cristalografia de raio-x. Quando a forma cristalizada de uma molécula como o DNA é exposta a raios-x, alguns dos raios são desviados pelos átomos no cristal, formando um padrão de difração, que dá pistas sobre a estrutura da molécula.
Imagem de difração de raios-x do DNA. O padrão de difração tem uma forma em X representativa da estrutura helicoidal e de dupla cadeia do DNA.
Imagem adaptada de "DNA structure and sequencing: Figura 2," por OpenStax College, Biology (CC BY 3.0)
A cristalografia de Franklin deu pistas importantes a Watson e Crick sobre a estrutura do DNA. Algumas delas vieram da famosa "imagem 51", uma imagem de difração de raios X notavelmente clara e marcante do DNA produzido por Franklin e pelo seu aluno de pós-graduação. (Um exemplo moderno do padrão de difração produzido pelo DNA é mostrado acima.) Para Watson, o padrão de difração em forma de X da imagem de Franklin sugeriu imediatamente uma estrutura helicoidal de duas cadeias para o DNA3.
Watson e Crick reuniram dados de vários investigadores (incluindo Franklin, Wilkins, Chargaff e outros) para montar o seu famoso modelo da estrutura 3D do ADN. Em 1962, James Watson, Francis Crick e Maurice Wilkins receberam o Prémio Nobel da Medicina. Infelizmente, nessa altura, Franklin já tinha morrido, e os Prémios Nobel não são atribuídos a título póstumo.

O modelo de DNA de Watson e Crick

A estrutura do DNA, tal como representada no modelo de Watson e Crick, é uma hélice de dupla cadeia dextra e antiparalela. As espinhas dorsais de açúcar-fosfato das cadeias de DNA compõem o exterior da hélice, enquanto as bases azotadas se encontram no interior e formam pares ligados por hidrogénio que mantêm as cadeias de DNA juntas.
No modelo abaixo, os átomos a laranja e vermelho marcam os fosfatos das espinhas dorsais de açúcar-fosfato, enquanto os átomos azuis no interior da hélice pertencem às bases azotadas.
Animação 3D da estrutura molecular da dupla hélice do DNA.
Créditos de imagem: "Bdna cropped," por Jahobr, domínio público.

Orientação antiparalela

O DNA de cadeia dupla é uma molécula antiparalela, o que significa que é composto por duas cadeias que correm lado a lado mas apontam em direcções opostas. Numa molécula de DNA de dupla cadeia, a extremidade 5' (extremidade portadora de fosfato) de uma cadeia alinha-se com a extremidade 3' (extremidade portadora de hidroxilo) da outra cadeia, e vice-versa.
Painel da esquerda: ilustração da estrutura antiparalela do DNA. É mostrado um pequeno segmento da dupla hélice do DNA, composto por duas cadeias de DNA mantidas juntas por ligações de hidrogénio entre as bases. A cadeia à esquerda tem um grupo fosfato exposto no seu topo (terminal 5') e um grupo hidroxilo exposto na sua base (terminal 3'). A cadeia à direita tem a orientação oposta, com um grupo de fosfato exposto na sua parte inferior (extremidade de 5') e um grupo hidroxilo exposto na sua parte superior (extremidade de 3'). A extremidade 5' de uma cadeia acaba, assim, ao lado da extremidade 3' do outro, e vice versa.
Painel da direita: a estrutura de um nucleótido, ilustrando o grupo fosfato 5' e o grupo hidroxilo 3'. O nome destes grupos advém da sua posição no anel de desoxiribose. Os carbonos deste anel são marcados de 1' (o carbono que contém a base nitrogenada) até 5' (o carbono que contém o grupo fosfato. O carbono 3' é onde se encontra o grupo hidroxilo.
_Imagem adaptada de "DNA chemical structure," por Madeleine Price Ball (CC0/public domain)._

Hélice Dextrogira

No modelo de Watson e Crick, as duas cadeias de DNA enrolam-se mutuamente para formarem uma hélice dextrogira. Todas as hélices têm uma rotação, que é uma propriedade que descreve como as suas ranhuras são orientadas no espaço.
Imagem da dupla hélice do DNA, ilustrando a sua estrutura dextrogira (enrolada no sentido horário, ou, para a direita). O sulco maior é um espaço mais largo que se enrola em espiral ao longo do comprimento da molécula, enquanto que o sulco menor é um espaço mais pequeno que aparece em paralelo ao sulco maior. Os pares de bases são encontrados no interior da hélice, enquanto que a desoxiribose e o fostato que constituem a espinha percorrem o exterior da hélice.
_Imagem adaptada de "DNA structure and sequencing: Figure 3," por OpenStax College, Biology (CC BY 3.0)._
A torção da dupla hélice de DNA e a geometria das bases criam uma fenda mais larga (chamada sulco maior) e uma fenda mais estreita (chamada sulco menor) que corre ao longo do comprimento da molécula, como mostra a figura acima. Estes sulcos são locais de ligação importantes para as proteínas que mantêm o DNA e regulam a actividade genética.

Emparelhamento das bases

No modelo de Watson e Crick, as duas cadeias da dupla hélice de DNA são mantidas unidas por ligações de hidrogénio entre bases azotadas em cadeias opostas. Cada par de bases forma um plano, construindo um "degrau" na escada da molécula de DNA.
Os pares de bases não são constituídos por qualquer combinação de bases. Em vez disso, se for encontrado um A numa cadeia, este deve ser emparelhado com um T na outra (e vice versa). Da mesma forma, quando um G é encontrado numa cadeia deve ter sempre um C como parceiro na cadeia oposta. Estas associações A-T e G-C são conhecidas como pares de base complementares.
Diagrama que ilustra o emparelhamento de bases entre as bases A-T e G-C. A e T encontram-se opostas uma à outra nas duas cadeias da hélice, e os seus grupos funcionais formam duas ligações de hidrogénio que mantêm as cadeias juntas. Da mesma forma, G e C encontram-se opostas nas duas cadeias, e os seus grupos funcionais formam três ligações de hidrogénio que mantêm as cadeias juntas.
_Imagem adaptada de "DNA structure and sequencing: Figure 3," por OpenStax College, Biology (CC BY 3.0)._
O emparelhamento de bases explica as regras de Chargaff, ou seja, o porquê da quantidade de A ser sempre igual à de T, e a quantidade de C ser igual à de G11. Onde há um A numa cadeia, deve haver um T na outra, e o mesmo é verdade para G e C. Porque uma purina (A ou G) é sempre emparelhada com uma pirimidina (T ou C), o diâmetro da hélice é uniforme, chegando a cerca de 2 nanometros.
Embora o modelo original de Watson e Crick propusesse que havia duas ligações de hidrogénio entre as bases de cada par, sabemos hoje que G e C formam uma ligação adicional (de tal forma que os pares A-T formam duas ligações de hidrogénio no total, enquanto os pares G-C formam três)12.

O impacto da dupla hélice

A estrutura de DNA desbloqueou a porta para compreender muitos aspectos da função do DNA, tais como a forma como foi copiado e como a informação que transportava foi utilizada pela célula para fazer proteínas.
Como veremos nos próximos artigos e vídeos, o modelo de Watson e Crick deu início a uma nova era de descobertas na biologia molecular. O modelo e as descobertas que permitiu formaram os alicerces de grande parte da investigação de ponta em biologia e biomedicina de hoje em dia.

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