A Dupla Hélice

 

double helixEm 1953, Francis Crick e James Watson propuseram que a molécula de DNA era constituída de uma dupla hélice de cadeias antiparalelas de nucleotídeos interconectadas pela energia cooperativa de muitas pontes de hidrogênio que se estabeleciam entre as bases complementares, púricas e pirimídicas, dos nucleotídeos.

A proposta da dupla hélice baseava-se em três pontos:


Com estas informações disponíveis, Watson & Crick construíram modelos moleculares, confeccionados em arame, na tentativa de encontrar aquele que se adequasse aos dados de difração de Raios-X, à complementaridade de bases e à estrutura química de cada base.

O padrão de espalhamento do feixe de Raios-X atravessando um cristal de DNA foi obtido por Rosalind Franklin, no laboratório de M. Wilkins. O padrão indicava que a molécula era uma hélice (cruz central) e que as bases (áreas escuras) dispunham-se perpendiculares ao eixo da molécula. Indicava ainda que o diâmetro da hélice (cerca de 20 Å ou 2 nm) mantinha-se constante em toda sua extensão.

7_dif Raiox

 Isto só seria possível se purinas sempre emparelhassem com pirimidinas. Duas purinas emparelhadas aumentariam o diâmetro enquanto duas pirimidinas emparelhadas diminuiriam o diâmetro da hélice.

Adenina e Timina podiam estabelecer facilmente duas pontes de hidrogênio entre si, enquanto Guanina e Citosina podiam estabelecer facilmente três pontes de hidrogênio entre si.

Apesar de muito fracas individualmente, as pontes de hidrogênio em grande quantidade seriam suficientes para manter as duas hélices unidas.

Tal pareamento estava de acordo com os pares propostos por Erwin Chargaff que três anos antes desenvolvera uma técnica para medir a quantidade de cada tipo de base presente no DNA de diferentes espécies. Seus dados mostraram que a quantidade relativa de um dado nucleotídeo podia ser diferente entre as espécies, mas sempre, a quantidade de adenina era igual à de timina e a quantidade de guanina era igual à de citosina.

Em todos os organismos estudados verificava-se a razão 1:1 entre bases púricas e pirimídicas: A + G = T + C. Todavia, a quantidade relativa de cada par AT ou GC podia variar bastante de organismo para organismo, de sorte que a razão A+T/G+C era característica da espécie analisada. Estas relações entre as bases, atualmente, são denominadas Razões de Chargaff.

Organismo Adenina Timina Guanina Citocina A+T/G+C
EcoliK12 26 23,9 24,9 25,2 1,0
Sreptococcus   pneumoniae 29,8 31,6 20,5 18 1,59
Mycobacterium   tuberculosis 15,1 14,6 34,9 35,4 0,42
Leveduras 31,3 32,9 18,7 17,1 1,79
Homo   sapiens 30,3 30,3 19,5 19,9 1,53
Methanococcus   jannaschii 34,4 34,1 15,5 15,8 2,18
Archaeoglobus   fulgidus 25,8 25,6 24,2 24,3 1,05

Todavia, a construção de uma dupla hélice mostrou-se tarefa difícil porque as pontes de hidrogênio não se encaixavam bem no modelo. Somente quando inverteram uma das hélices é que o pareamento aconteceu! Isto significa que as fitas de DNA têm polaridade (uma das extremidades com o fosfato 5′ e a outra com o grupo hidroxila 3′). Quando as duas fitas correm em sentidos opostos, ou seja, estão antiparalelas, as bases púricas e pirimídicas dos pares AT e GC encaixam-se perfeitamente bem. Eureka! Fez-se a luz.

8_estrutura dnaAlguns antecedentes

Em 1869, o químico suíço Johannes Friedrich Miescher buscava pelas proteínas presentes no núcleo de leucócitos humano, quando identificou uma molécula com propriedades químicas diferentes das proteínas e rica em fósforo denominando-a nucleína. Todavia mais de 50 anos se passaram antes do mundo científico se dar conta do significado desta molécula.

Em 1919, o bioquímico russo Phoebus Levene fez estudos extensivos das nucleínas e determinou a ordem dos componentes de um nucleotídeo: fosfato-açúcar-base. Determinou ainda que no RNA o açúcar era uma ribose e no DNA uma desoxirribose e que as bases seriam: A, G, C, T.

Em 1944, Osvald T. Avery e seus colaboradores demonstraram que a natureza química da substância que alterava as propriedades hereditárias de uma bactéria era ácido desoxirribonucleico. Com isto associaram ao DNA o conceito puramente formal de genes. Na época, todas acreditavam que cabia às proteínas este papel.

Em 1950 as Razões de Chargaff (A=T e G=C), pavimentaram o caminho para a noção de pareamento entre as bases. Finalmente os dados de difração de Raio X de Franklin & Wilkins deram as pistas da hélice.

Tais estudos aliados à criatividade e determinação dos pesquisadores redundaram finalmente, em 1953, numa proposta relativa à estrutura do DNA como conhecemos hoje. Neste modelo, as bases projetavam-se para o interior da hélice a partir dos esqueletos externos de açúcar-fosfato.

Três dos pesquisadores envolvidos receberam o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 1962: Francis Crick, James Watson e Maurice Wilkins.

Os passos encadeados que levaram à concepção da estrutura do DNA são descritos de forma sucinta e esclarecedora no artigo de Gerard Árias (2004),da EMBRAPA: “Em 1953 foi descoberta a estrutura do DNA. Etapas de um grande avanço científico” onde relata a contribuição de dezenas de pesquisadores numa demonstração de que não se faz ciência sozinho, como já afirmara Sir Isaac Newton, quando lhe perguntaram como tinha conseguido enxergar tão longe: “We stood on the shoulders of giants” (Estávamos de pé nos ombros de gigantes), referindo-se aos pesquisadores que o precederam.

Leituras indicadas:

  1.  No artigo de Ralf Dahm, (2005) –  Friedrich Miescher and the discovery o f DNA. Developmental Biology (278): 274-288. A história da descoberta do DNA por Miescher em 1869 é descrita em detalhes baseadas nas inúmeras correspondências entre os pares e no trabalho de Mischer finalmente aceito para publicação em 1871, dois anos após  a descoberta - Miescher, F. (1871). Ueber die chemische Zusammensetzung der Eiterzellen,  Med.-Chem. Unters., 4: 441–460.
  2. Levene, P. A. (1919) The Structure of Yeast Nucleic Acid. IV. Ammonia Hydrolysis. J. Biol. Chem.40:
  3. Avery, O. T.;  MacLeod, C.M.;  McCarty, M.  (1944). Studies on the Chemical Nature of the Substance Inducing Transformation of Pneumococcal Types: Induction of Transformation by a Desoxyribonucleic Acid Fraction Isolated from Pneumococcus Type III.  J. Exper. Med. 79 (2): 137–158.
  4.  As Razões de Chargaff estão publicadas em: Chargaff, E. (1950) Chemical specificity of nucleic acids and mechanisms of their enzymatic degradation. Experientia  6: 201-240).
  5.  A publicação de R. Franklin sobre o padrão de espalhamento do feixe de Raios-X atravessando um cristal de DNA pode ser apreciada em: Franklin, R.E. & Gosling, R.G. (1953) Molecular configuration in sodium thymonuclease. Nature 171: 740-741.
  6. O trabalho publicado por Watson & Crick pode ser lido em: Watson, J.D. & Crick, F.H.C. (1953) Molecular structure of nucleic acid. A structure for deoxyribose nucleic acid. Nature 171: 737-738.
  7. No link abaixo algo sobre os laureados e suas descobertas: http://www.nobelprize.org/educational/medicine/dna_double_helix/readmore.html
Assista aqui um belo vídeo narrado por Carl Sagan, com legenda.

A SEGUIR:  MODO DE DUPLICAÇÃO DO DNA