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13.1: A Hélice do DNA
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The DNA Helix
 
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13.1: The DNA Helix

13.1: A Hélice do DNA

Overview

Deoxyribonucleic acid, or DNA, is the genetic material responsible for passing traits from generation to generation in all organisms and most viruses. DNA is composed of two strands of nucleotides that wind around each other to form a double helix. The discovery of the structure of DNA occurred incrementally over nearly a century, representing one of the most famous and captivating stories in the history of science.

DNA Structure in Detail

Each strand of DNA consists of subunits called nucleotides that contain the sugar deoxyribose, a phosphate group, and one of four nitrogen-containing bases: adenine (A), guanine (G), cytosine (C), and thymine (T). Adenine and guanine are members of a larger class of chemicals called purines that all contain two-ringed structures. Cytosine and thymine belong to a group of single-ringed structures called pyrimidines.

Adjacent nucleotides in the same strand are covalently linked by phosphodiester bonds. The two strands of nucleotides are held together by hydrogen bonds, in which the adenines in one strand pair with thymines at the same position in the other strand, and the cytosines in one strand pair with guanines in the same position in the other strand. This hydrogen bonding is made possible by the antiparallel arrangement of the two DNA strands, in which the 5’ and 3’ ends of the strands are oriented in opposite directions. Without this arrangement, the nucleotides would be in the wrong position to form hydrogen bonds between strands.

The two strands of the DNA molecule are tightly wound into a spring-like structure called a double helix. However, the double helix is not perfectly symmetrical. Instead, there are regularly occurring grooves in the structure. The major groove occurs where the sugar-phosphate backbones are relatively far apart. This space grants access to DNA-binding proteins, such as transcription factors. The minor groove, by contrast, occurs where the sugar-phosphate backbones are close together. Relatively few proteins bind to DNA via the minor groove.

The Discovery of DNA Structure: A Brief History

The story of the discovery of DNA structure begins in 1869 when Swiss scientist Friedrich Miescher discovered a substance he called “nuclein”. In the process of extracting protein from white blood cells, Miescher found an unexpected substance that had relatively high phosphorus content. He did not know what it was, but he suspected that it could be biologically important. Miescher was right, but it took decades for the scientific community to fully appreciate his insights.

The next critical discovery was made by Russian biochemist Phoebus Levene. In 1919, Levene proposed that nuclein, by then known as a nucleic acid, was composed of chains of molecules that he called polynucleotides. Levene’s proposal stemmed from his research on yeast, in which he found that individual nucleotides were composed of a phosphate group, a sugar, and a nitrogen-containing base. Although Levene’s polynucleotide model was correct in many respects, it was still unclear how the bases were arranged in the DNA molecule.

The Austrian biochemist Erwin Chargaff expanded on the work of Levene. Working in the late 1940s, Chargaff made a key finding: the amount of adenine in DNA is always roughly equal to the amount of thymine, and the amount of guanine is always roughly equal to the amount of cytosine. This pattern became known as Chargaff’s Rule and was a key piece of evidence that enabled the final elucidation of DNA structure.

In the early 1950s, American biologist James Watson and English physicist Francis Crick were racing their chief rival, American Linus Pauling, to discover the three-dimensional structure of DNA. Building on the work of Chargaff, they used knowledge of physics, mathematics, and chemistry to construct physical models of DNA. But they were unsuccessful until they received a critical piece of data: an X-ray ‘photograph’ of DNA that indicated in precise detail its double-helical structure. This photograph was the unpublished data of physicist Rosalind Franklin and was given to Watson and Crick without Franklin’s knowledge. Watson and Crick published their description of DNA structure in 1953, and together with Maurice Wilkins (a co-worker of Franklin’s), they won the 1962 Nobel Prize in Physiology or Medicine for this discovery. Sadly, Franklin died in 1958 and was therefore ineligible for a Nobel Prize.

Visão Geral

O ácido desoxirribonucleico, ou DNA, é o material genético responsável por passar características de geração em geração em todos os organismos e na maioria dos vírus. O DNA é composto por duas cadeias de nucleótidos que giram ao redor uma da outra para formar uma dupla hélice. A descoberta da estrutura do DNA ocorreu incrementalmente ao longo de quase um século, representando uma das histórias mais famosas e cativantes da história da ciência.

Estrutura do DNA em Detalhe

Cada cadeia de DNA contém subunidades chamadas nucleótidos que contêm o açúcar desoxirribose, um grupo fosfato, e uma de quatro bases contendo nitrogénio: adenina (A), guanina (G), citosina (C) e timina (T). Adenina e guanina são membros de uma classe maior de produtos químicos chamados purinas que contêm estruturas de dois anéis. Citosina e timina pertencem a um grupo de estruturas de anéis únicos chamadas pirimidinas.

Nucleótidos adjacentes na mesma cadeia estão covalentemente ligados por ligações fosfodiéster. As duas cadeias de nucleótidos são mantidas juntas por ligações de hidrogénio, em que as adeninas em uma das cadeias emparelham com timinas na mesma posição na outra cadeia, e as citosinas em uma das cadeias emparelham com com guaninas na mesma posição na outra cadeia. Esta ligação de hidrogénio é possível devido ao arranjo antiparalelo das duas cadeias de DNA, nos quais as extremidades de 5’ e 3’ das cadeias estão orientadas em direções opostas. Sem esse arranjo, os nucleótidos estariam na posição errada para formar ligações de hidrogénio entre as cadeias.

As duas cadeias da molécula de DNA estão firmemente enroladas em uma estrutura semelhante a uma mola chamada dupla hélice. No entanto, a dupla hélice não é perfeitamente simétrica. Em vez disso, há sulcos regulares na sua estrutura. O sulco maior ocorre onde os esqueletos de açúcar-fosfato estão relativamente distantes. Este espaço permite o acesso de proteínas de ligação de DNA, como fatores de transcrição. O sulco menor, em contraste, ocorre onde os esqueletos de açúcar-fosfato estão próximos. Relativamente poucas proteínas se ligam ao DNA através do sulco menor.

A Descoberta da Estrutura do DNA: Uma Breve História

A história da descoberta da estrutura do DNA começa em 1869, quando o cientista Suíço Friedrich Miescher descobriu uma substância a que chamou de “nucleína”. No processo de extração de proteína de glóbulos brancos, Miescher encontrou uma substância inesperada que tinha um teor relativamente alto de fósforo. Ele não sabia o que era, mas suspeitava que poderia ser biologicamente importante. Miescher estava certo, mas passaram décadas antes de a comunidade científica apreciar plenamente as suas intuições.

A descoberta crítica seguinte foi feita pelo bioquímico Russo Phoebus Levene. Em 1919, Levene propôs que a nucleína, nessa altura conhecida como ácido nucleico, era composta por cadeias de moléculas que ele chamava de polinucleótidos. A proposta de Levene surgiu da sua investigação sobre leveduras, na qual ele descobriu que nucleótidos individuais eram compostos por um grupo fosfato, um açúcar e uma base contendo nitrogénio. Embora o modelo de polinucleótidos de Levene estivesse correto em muitos aspectos, ainda não era claro como as bases estavam organizadas na molécula de DNA.

O bioquímico Austríaco Erwin Chargaff expandiu o trabalho de Levene. Trabalhando no final da década de 1940, Chargaff fez uma descoberta chave: a quantidade de adenina no DNA é sempre aproximadamente igual à quantidade de timina, e a quantidade de guanina é sempre aproximadamente igual à quantidade de citosina. Este padrão ficou conhecido como Regra de Chargaff e foi uma evidência chave que permitiu a elucidação final da estrutura do DNA.

No início da década de 1950, o biólogo Americano James Watson e o físico Inglês Francis Crick estavam a correr contra o seu principal rival, o Americano Linus Pauling, para descobrir a estrutura tridimensional do DNA. Com base no trabalho de Chargaff, eles usaram conhecimentos de física, matemática e química para construir modelos físicos de DNA. Mas eles não tiveram sucesso até receberem um pedaço crítico de informação: uma ‘fotografia’ de raios-X do DNA que mostrava ao pormenor a sua estrutura em dupla hélice. Esta fotografia era informação não publicada da física Rosalind Franklin e foi dada a Watson e Crick sem o conhecimento de Franklin. Watson e Crick publicaram a sua descrição da estrutura do DNA em 1953, e juntamente com Maurice Wilkins (um colega de trabalho de Franklin), eles ganharam o Prémio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1962 por essa descoberta. Infelizmente, Franklin morreu em 1958 e, portanto, não foi elegível para um Prémio Nobel.


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