Na década de 1950, Francis Crick e James Watson trabalharam juntos na Universidade de Cambridge, na Inglaterra, para determinar a estrutura do DNA. Outros cientistas, como Linus Pauling e Maurice Wilkins, também estavam explorando ativamente esse campo. Pauling descobriu a estrutura secundária das proteínas usando cristalografia de raios X.
A cristalografia de raios X é um método para investigar a estrutura molecular, observando os padrões formados por raios X disparados através de um cristal da substância. Os padrões fornecem informações importantes sobre a estrutura da molécula de interesse. No laboratório de Wilkins, a pesquisadora Rosalind Franklin usava cristalografia de raios X para entender a estrutura do DNA.
Watson e Crick foram capazes de juntar o quebra-cabeça da molécula de DNA usando os dados de Franklin ( Figura). Watson e Crick também tiveram informações importantes disponíveis de outros pesquisadores, como as regras de Chargaff. Chargaff mostrou que dos quatro tipos de monômeros (nucleotídeos) presentes em uma molécula de DNA, dois tipos estavam sempre presentes em quantidades iguais e os dois tipos restantes também estavam sempre presentes em quantidades iguais. Isso significava que eles sempre estavam emparelhados de alguma forma. Em 1962, James Watson, Francis Crick e Maurice Wilkins receberam o Prêmio Nobel de Medicina por seu trabalho na determinação da estrutura do DNA.
Agora vamos considerar a estrutura dos dois tipos de ácidos nucleicos, ácido desoxirribonucleico (DNA) e ácido ribonucleico (RNA). Os blocos de construção do DNA são nucleotídeos, compostos de três partes: uma desoxirribose (açúcar de 5 carbonos), um grupo fosfato e uma base nitrogenada ( Figura ). Existem quatro tipos de bases nitrogenadas no DNA. A adenina (A) e a guanina (G) são purinas de dois anéis, e a citosina (C) e a timina (T) são pirimidinas menores, de anel único. O nucleotídeo é nomeado de acordo com a base nitrogenada que contém.
O grupo fosfato de um nucleotídeo se liga covalentemente à molécula de açúcar do próximo nucleotídeo, e assim por diante, formando um longo polímero de monômeros de nucleotídeo. Os grupos de açúcar-fosfato se alinham em uma “espinha dorsal” para cada filamento único de DNA, e as bases de nucleotídeos se destacam desta coluna vertebral. Os átomos de carbono do açúcar de cinco carbonos são numerados no sentido horário a partir do oxigênio como 1 ‘, 2’, 3 ‘, 4’ e 5 ‘(1’ é lido como “um primo”).
O grupo fosfato é ligado ao carbono 5 ‘de um nucleotídeo e ao carbono 3’ do próximo nucleotídeo. Em seu estado natural, cada molécula de DNA é na verdade composta de duas cadeias simples unidas ao longo de seu comprimento por ligações de hidrogênio entre as bases.
Watson e Crick propuseram que o DNA é composto de dois filamentos que são torcidos um ao outro para formar uma hélice destro, chamada de hélice dupla.. O pareamento de bases ocorre entre uma purina e pirimidina: a saber, pares A com T e pares G com C.
Em outras palavras, adenina e timina são pares de bases complementares, e citosina e guanina também são pares de bases complementares. Esta é a base da regra de Chargaff; por causa de sua complementaridade, há tanto adenina quanto timina em uma molécula de DNA e tanto guanina quanto citosina.
A adenina e a timina são conectadas por duas ligações de hidrogênio, e a citosina e a guanina são conectadas por três ligações de hidrogênio. Os dois filamentos são anti-paralelos por natureza; isto é, uma vertente terá o carbono 3 ‘do açúcar na posição “ascendente”, enquanto a outra vertente terá o carbono 5’ na posição ascendente. O diâmetro da dupla hélice do DNA é uniforme porque uma purina (dois anéis) sempre emparelha com uma pirimidina (um anel) e seus comprimentos combinados são sempre iguais. (Figura ).
Existe um segundo ácido nucleico em todas as células, chamado ácido ribonucleico, ou RNA. Como o DNA, o RNA é um polímero de nucleotídeos. Cada um dos nucleotídeos no RNA é composto de uma base nitrogenada, um açúcar de cinco carbonos e um grupo fosfato. No caso do RNA, o açúcar de cinco carbonos é a ribose, não a desoxirribose. A ribose possui um grupo hidroxila no carbono 2 ‘, diferente da desoxirribose, que possui apenas um átomo de hidrogênio ( Figura ).
Os nucleotídeos de RNA contêm as bases nitrogenadas adenina, citosina e guanina. No entanto, eles não contêm timina, que é substituída pelo uracilo, simbolizado por um RNA “U”. O RNA existe como uma molécula de fita simples em vez de uma hélice de cadeia dupla. Os biólogos moleculares nomearam vários tipos de RNA com base em sua função. Estes incluem RNA mensageiro (mRNA), RNA de transferência (tRNA) e RNA ribossômico (rRNA) – moléculas que estão envolvidas na produção de proteínas a partir do código de DNA.
O DNA é uma molécula ativa; ele deve ser replicado quando uma célula está pronta para se dividir e deve ser “lida” para produzir as moléculas, como proteínas, para realizar as funções da célula. Por essa razão, o DNA é protegido e embalado de maneiras muito específicas.
Além disso, as moléculas de DNA podem ser muito longas. Estendidas de ponta a ponta, as moléculas de DNA em uma única célula humana chegariam a um comprimento de cerca de 2 metros. Assim, o DNA de uma célula deve ser empacotado de uma maneira muito ordenada para se ajustar e funcionar dentro de uma estrutura (a célula) que não é visível a olho nu.
Os cromossomos dos procariontes são muito mais simples que os dos eucariotos em muitas de suas características ( Figura ). A maioria dos procariontes contém um único cromossomo circular que é encontrado em uma área do citoplasma chamada nucleoide.
O tamanho do genoma em um dos procariontes mais bem estudados, Escherichia coli, é de 4,6 milhões de pares de bases, o que estenderia uma distância de cerca de 1,6 mm se esticado. Então, como isso se encaixa dentro de uma pequena célula bacteriana? O DNA é torcido para além da dupla hélice no que é conhecido como super enrolamento. Algumas proteínas são conhecidas por estarem envolvidas no super enrolamento; outras proteínas e enzimas ajudam na manutenção da estrutura super enrolada.
Os eucariotas, cujos cromossomas cada consistem de uma molécula de ADN linear, empregar um tipo diferente de embalagem estratégia para se ajustar o seu ADN no interior do núcleo ( Figura). No nível mais básico, o DNA é envolvido em torno de proteínas conhecidas como histonas para formar estruturas chamadas nucleossomas. O DNA é enrolado firmemente ao redor do núcleo histônico. Esse nucleossomo está ligado ao próximo por um filamento curto de DNA livre de histonas.
Isso também é conhecido como a estrutura “contas em uma corda”; os nucleossomas são as “contas” e os comprimentos curtos de DNA entre eles são a “corda”. Os nucleossomas, com o seu DNA enrolado à volta deles, empilham-se uns sobre os outros para formar uma fibra de 30 nm de largura. Esta fibra é ainda enrolada em uma estrutura mais espessa e mais compacta.
No estágio de metáfase da mitose, quando os cromossomos estão alinhados no centro da célula, os cromossomos estão mais compactados. Eles têm aproximadamente 700 nm de largura e são encontrados em associação com proteínas de suporte.
Na interfase, a fase do ciclo celular entre as mitoses em que os cromossomos são descondensados, os cromossomos eucarióticos têm duas regiões distintas que podem ser distinguidas pela coloração. Há uma região compacta que mancha manchas escuras e uma região menos densa.
As regiões de coloração escura geralmente contêm genes que não estão ativos e são encontradas nas regiões do centrômero e dos telômeros. As regiões de coloração leve geralmente contêm genes que estão ativos, com o DNA empacotado ao redor dos nucleossomos, mas não mais compactado.
Resumo da seção
O modelo da estrutura de dupla hélice do DNA foi proposto por Watson e Crick. A molécula de DNA é um polímero de nucleotídeos. Cada nucleotídeo é composto de uma base nitrogenada, um açúcar de cinco carbonos (desoxirribose) e um grupo fosfato. Existem quatro bases nitrogenadas no DNA, duas purinas (adenina e guanina) e duas pirimidinas (citosina e timina).
Uma molécula de DNA é composta de duas cadeias. Cada filamento é composto de nucleotídeos ligados entre si de forma covalente entre o grupo fosfato de um e o açúcar desoxirribose do segundo. Deste backbone estender as bases. As bases de uma cadeia ligam-se às bases da segunda cadeia com ligações de hidrogênio.
A adenina sempre se liga à timina e a citosina sempre se liga à guanina. A ligação faz com que os dois cordões espiralem em torno um do outro em uma forma chamada de dupla hélice. O ácido ribonucleico (RNA) é um segundo ácido nucleico encontrado nas células. O RNA é um polímero de nucleotídeos de fita simples. Também difere do DNA, pois contém o açúcar ribose, em vez da desoxirribose, e o nucleotídeo uracila, e não a timina. Várias moléculas de RNA atuam no processo de formação de proteínas a partir do código genético no DNA.
Os procariontes contêm um único cromossomo circular de cadeia dupla. Os eucariotos contêm moléculas de DNA linear de fita dupla empacotadas em cromossomos. A hélice de DNA é envolvida em torno de proteínas para formar nucleossomos. As bobinas de proteína são enroladas e, durante a mitose e a meiose, os cromossomos ficam ainda mais enrolados para facilitar o movimento. Os cromossomos possuem duas regiões distintas que podem ser distinguidas pela coloração, refletindo diferentes graus de empacotamento e determinadas pelo fato de o DNA de uma região estar sendo expresso (eucromatina) ou não (heterocromatina).
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