Introdução à Genética
Estrutura do DNA antes de Watson e Crick
3. Tendo em vista que alterações hereditárias, denominadas mutações, fornecem a
matéria-prima para a seleção evolutiva, o material genético tem de ser capaz de mudar
em ocasiões raras. Não obstante, a estrutura do DNA deve ser estável, de modo que os
organismos possam “confiar” em sua informação codificada. Consideraremos os
mecanismos de mutação no Capítulo 16.
Estrutura do DNA antes de Watson e Crick
Considere a descoberta da estrutura da dupla-hélice do DNA por Watson e Crick como a solução para um quebra-cabeça tridimensional complicado. Para solucionar esse quebra-cabeça, Watson e Crick utilizaram um processo denominado “construção de modelo”, no qual eles reuniram os resultados de experimentos anteriores e em andamento (as peças do quebra-cabeça) para formar o quebra-cabeça tridimensional (o modelo da dupla-hélice). Para compreender como eles fizeram isso, primeiramente precisamos saber quais peças do quebra-cabeça estavam disponíveis para Watson e Crick em 1953.
Elementos estruturais do DNA. A primeira peça do quebra-cabeça era o conhecimento sobre as estruturas básicas do DNA. Como uma substância química, o DNA é consideravelmente simples. Ele contém três tipos de componentes químicos: (1) fosfato, (2) um açúcar denominado desoxirribose e (3) quatro bases nitrogenadas — adenina, guanina, citosina e timina. O açúcar no DNA é denominado “desoxirribose”, tendo em vista que ele apresenta apenas um átomo de hidrogênio (H) no átomo de carbono 2′, contrariamente à ribose (um componente do RNA), que apresenta um grupo hidroxila (OH) naquela posição. Duas das bases, adenina e guanina, apresentam uma estrutura de anel duplo característica de um tipo de substância química denominado purina. As outras duas bases, citosina e timina, apresentam uma estrutura de anel único de um tipo denominado pirimidina.
São atribuídos números aos átomos de carbono nas bases para facilidade de referência.
Também são atribuídos números aos átomos de carbono no grupo açúcar — nesse caso, o número é seguido por apóstrofo reto (1′, 2′ e assim por diante).
Os componentes químicos do DNA estão dispostos em grupos denominados
nucleotídios, cada um composto por um grupo fosfato, uma molécula de açúcar
desoxirribose e qualquer uma das quatro bases (Figura 7.5). É uma convenção fazer referência a cada nucleotídio pela primeira letra da denominação de sua base: A, G, C ou T. O nucleotídio com a base adenina é denominado desoxiadenosina 5′-monofosfato, em que 5′ faz referência à posição do átomo de carbono no anel de açúcar ao qual o único grupo fosfato (mono) está ligado.
Regras de Chargaff da composição de bases. A segunda peça do quebra-cabeça utilizada por Watson e Crick teve origem em um trabalho realizado muitos anos antes por Erwin
Chargaff. Estudando uma grande seleção de DNA de diferentes organismos (Tabela 7.1), Chargaff estabeleceu determinadas regras empíricas a respeito das quantidades de cada tipo de nucleotídio observado no DNA:
1. A quantidade total de nucleotídios pirimidínicos (T + C) sempre é igual à quantidade
total de nucleotídios purínicos (A + G).
2. A quantidade de T sempre é igual à quantidade de A e a quantidade de C sempre é
igual à quantidade de G. Mas a quantidade de A + T não é necessariamente igual à
quantidade de G + C, conforme pode ser observado na coluna à direita da Tabela 7.1.
Essa proporção varia entre os diferentes organismos, mas é virtualmente a mesma em
diferentes tecidos do mesmo organismo.
Análise do DNA por difração de raios X. A terceira e mais controversa peça do quebra-cabeça teve origem nos dados de difração de raios X sobre a estrutura do DNA que foram coletados por Rosalind Franklin quando ela estava no laboratório de Maurice Wilkins
(Figura 7.6). Nos referidos experimentos, foram disparados raios X nas fibras de DNA e a dispersão dos raios a partir das fibras é observada por meio da captação dos raios em filme fotográfico, sobre o qual os raios X produzem pontos. O ângulo da dispersão representado por cada ponto no filme fornece informações a respeito da posição de um átomo ou de determinados grupos de átomos na molécula de DNA. Esse procedimento não é de fácil realização (ou explicação) e a interpretação dos padrões de pontos exige tratamento matemático complexo, que está além do escopo deste texto. Os dados disponíveis sugeriam que o DNA é longo e fino e que apresenta duas partes semelhantes, que são paralelas entre si e que estão localizadas ao longo do comprimento da molécula. Os dados dos raios X demonstraram que a molécula é helicoidal (semelhante a uma espiral). Sem o conhecimento de Rosalind Franklin, sua melhor radiografia foi mostrada a Watson e Crick por Maurice Wilkins e foi essa peça crucial do quebra-cabeça que possibilitou que eles deduzissem a estrutura tridimensional que poderia explicar os padrões de pontos dos raios X.
FIGURA 7.5 Estes nucleotídios, dois com bases purina e dois com bases pirimidina, são os elementos estruturais fundamentais do DNA. O açúcar é denominado desoxirribose, tendo em vista que é uma variação de um açúcar comum, a ribose, que contém mais um átomo de oxigênio (posição indicada pela seta vermelha).
Tabela 7.1 Propriedades molares das bases* em DNA de diversas fontes.
A + T
Organismo Tecido Adenina Timina Guanina Citosina G + C
Escherichia coli — 26,0 23,9 24,9 25,2 1,00
(K12)
Diplococcus — 29,8 31,6 20,5 18,0 1,59
pneumoniae