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Biologia - Ensino Médio
Curso: Biologia - Ensino Médio > Unidade 6
Lição 1: O DNA- Descoberta da estrutura do DNA
- DNA
- Estrutura molecular do DNA
- Estrutura antiparalela das fitas de DNA
- Fitas leading e lagging na replicação do DNA
- Verificação e reparo do DNA
- Revisão sobre estrutura e replicação de DNA
- Ácidos nucleicos
- Replicação do DNA
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Descoberta da estrutura do DNA
A estrutura de dupla hélice do DNA e como foi descoberta. Chargaff, Watson e Crick, e Wilkins e Franklin.
Introdução
Hoje, a dupla hélice de DNA é provavelmente a mais icônica de todas as moléculas biológicas. Inspirou escadas, decorações, pontes de pedestres (como a de Singapura, mostrada abaixo), e mais.
Tenho que concordar com os arquitetos e designers: a dupla hélice é uma estrutura linda, e sua forma se encaixa com sua função de forma notável. Mas a dupla hélice nem sempre foi parte do léxico cultural. Na verdade, até meados da década de 1950, a estrutura do DNA era um mistério.
Neste artigo, vamos brevemente explorar como a estrutura de dupla hélice do DNA foi descoberta através do trabalho de James Watson, Francis Crick, Rosalind Franklin, e outros pesquisadores. Então, veremos as propriedades da dupla hélice.
Os componentes do DNA
Por conta do trabalho do bioquímico Phoebus Levene e outros, os cientistas na época de Watson e Crick sabiam que o DNA era composto de subunidades chamadas nucleotídeosstart superscript, 1, end superscript. Um nucleotídeo é feito de um açúcar (desoxirribose), um grupo fosfato, e uma das quatro bases nitrogenadas: adenina (A), timina (T), guanina (G) ou citosina (C).
As bases C e T, que têm apenas um anel, são chamadas de piridiminas, enquanto as bases A e G, que têm dois aneis, são chamadas de purinas.
Os nucleotídeos de DNA se reúnem em cadeias ligadas por ligações covalentes, que se formam entre o açúcar desoxirribose de um nucleotídeo e o grupo fosfato do próximo. Esse arranjo faz uma cadeia alternada de grupos fosfato e de açúcar desoxirribose no polímero DNA, uma estrutura conhecida como esqueleto de açúcar-fosfato
Regras de Chargaff
Outra informação chave relacionada à estrutura de DNA veio do bioquímico austríaco Erwin Chagaff. Chargaff analisou o DNA de diferentes espécies, determinando sua composição de bases A, T, C e G. Ele fez várias observações fundamentais:
- A, T, C e G não eram encontradas em quantidades iguais (como alguns modelos da época diziam)
- As quantidades de bases variavam entre as espécies, mas não entre indivíduos da mesma espécie
- A quantidade de A sempre igualava a quantidade de T, e a quantidade de C sempre igualava a quantidade de G (A = T e G = C)
Esses resultados, chamados de regras de Chargaff, acabaram sendo cruciais para o modelo de Watson e Crick da dupla hélice de DNA.
Watson, Crick e Rosalind Franklin
No início dos anos de 1950, o biólogo americano James Watson e o físico britânico Francis Crick elaboraram seu famoso modelo da dupla hélice de DNA. Eles foram os primeiros a cruzar a linha de chegada nessa "corrida" científica, com outros como Linus Pauling (que descobriu a estrutura secundária da proteína) também tentando encontrar o modelo correto.
Em vez de fazer novos experimentos no laboratório, Watson e Crick coletaram e analisaram conjuntos de dados já existentes, organizando-os de formas novas e esclarecedorassquared.
Algumas de suas pistas mais cruciais sobre a estrutura do DNA vieram de Rosalind Franklin, uma química que trabalhava no laboratório do físico Maurice Wilkins.
Franklin era uma especialista em uma técnica poderosa para determinar a estrutura das moléculas, conhecida como cristalografia de raios-x. Quando a forma cristalizada de uma molécula como o DNA é exposta a raios-x, alguns dos raios são defletidos pelos átomos no cristal, formando um padrão de difração que dá pistas sobre a estrutura da molécula.
A cristalografia de Franklin deu a Watson e Crick pistas importantes para a estrutura do DNA. Algumas vieram da famosa "imagem 51", uma imagem de raio-x de difração do DNA notavelmente clara e impressionante produzida por Franklin e seus estudantes de graduação (um exemplo moderno do padrão de difração produzido pelo DNA é mostrado abaixo). Para Watson, o padrão de difração em formato de X da imagem de Franklin imediatamente sugeriu uma estrutura helicoidal, de duas fitas para o DNAcubed.
Watson e Crick juntaram dados de um número de pesquisadores (incluindo Franklin, Wilkins, Chargaff e outros) para montar seu celebrado modelo da estrutura de DNA em 3D. Em 1962, James Watson, Francis Crick e Maurice Wilkins foram premiados com o prêmio Nobel de medicina. Infelizmente, a essa altura Franklin já havia morrido, e os prêmios Nobel não são concedidos a título póstumo.
O modelo do DNA de Watson e Crick
A estrutura do DNA, como representada no modelo de Watson e Crick, é uma hélice de dupla fita, antiparalela, para a direita. Os esqueletos de açúcar-fosfato das fitas de DNA constituem o exterior da hélice, enquanto as bases nitrogenadas são encontradas no interior e formam pares ligados por ligações de hidrogênio que mantêm as fitas de DNA juntas.
No modelo abaixo, os átomos laranja e vermelho marcam os fosfatos dos esqueletos de açúcar-fosfato, enquanto os átomos azuis no interior da hélice pertencem às bases nitrogenadas.
Orientação antiparalela
O DNA de fita dupla é uma molécula antiparalela, ou seja, é composta de duas fitas que correm lado a lado mas apontam para direções opostas. Em uma molécula de DNA de fita dupla, a extremidade 5' (com fostato livre) de uma fita se alinha com a extremidade 3' (com hidroxila livre) de sua parceira, e vice-versa.
Hélice dextrógira
No modelo de Watson e Crick, as duas fitas de DNA enrolam-se uma em volta da outra para formar uma hélice dextrógira. Todas as hélices têm uma direção, que é uma propriedade que descreve como seus filamentos são orientados no espaço.
A torção da dupla fita de DNA e a geometria das bases criam um vão maior (chamado de sulco maior) e um vão menor (chamado de sulco menor) que estão ao longo do comprimento da molécula, como mostrado na figura acima. Esses sulcos são importantes locais de ligação para proteínas que mantêm o DNA e regulam a atividade dos genes.
Pareamento de bases
No modelo de Watson e Crick, as duas fitas da dupla hélice de DNA são mantidas juntas por ligações de hidrogênio entre as bases nitrogenadas nas fitas opostas. Cada par de bases fica plano, formando um "degrau" da escada da molécula de DNA.
Pares de base não são feitos de qualquer combinação de bases. Em vez disso, se há um A em uma fita, ele deve ser pareado com um T na outra (e vice-versa). Similarmente, um G encontrado em uma fita, deve sempre ter um C como parceiro na fita oposta. Essas associações A-T e G-C são conhecidas como pares de base complementares.
O pareamento de bases explica as regras de Chargaff, ou seja, porque a composição de A é sempre igual a de T, e a composição de C se iguala a de GGstart superscript, 11, end superscript. Onde há um A em uma fita, deve haver um T na outra, e o mesmo é verdade para G e C. Porque uma grande purina (A ou G) é sempre pareada com uma pequena piridimina (T ou C), o diâmetro da hélice é uniforme, chegando a cerca de 2 nanômetros.
Apesar do modelo original de Watson e Crick propor que haveriam duas ligações de hidrogênio entre as bases de cada par, sabemos hoje que G e C formam uma ligação adicional (de forma que os pares A-T formam duas ligações de hidrogênio, enquanto pares G-C formam três)start superscript, 12, end superscript.
O impacto da dupla hélice
A estrutura do DNA abriu a porta para a compreensão de muitos aspectos da função do DNA, como saber como ele é copiado e como a informação que carrega é usada pela célula para fazer proteínas.
Assim como veremos nos próximos artigos e vídeos, o modelo de Watson e Crick inaugurou uma nova era de descobertas em biologia molecular. O modelo e as descobertas que ele permitiu formam os fundamentos da maioria das pesquisas de ponta em biologia e biomedicina atualmente.
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Você quer aprender mais sobra a escada do DNA? Confira esta atividade interativa (em inglês) do LabXchange.
LabXchange é uma plataforma on-line gratuita de educação científica criada na Faculdade de Artes e Ciências de Harvard e apoiada pela Fundação Amgen.
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Vocês se baseiam também no livro, Biologia Celular e Molecular de Alberts?(3 votos)
A estrutura da dupla helice tem padroes de espaços nas pontes, e esse padrao se repete em 10,5,6,5?(1 voto)
Acredito que não, ao menos durante minha graduação de Biologia nunca ouvi algo parecido(1 voto)
eu gostaria de saber qual o nome dos cientistas responsáveis pelos estudos da organização de DNA. se vocês poderem me falar ficarei grata.(1 voto)
O que significa um primer e porque este é necessário na replicação do DNA?(0 votos)