O que você vai aprender a fazer: Explique como o DNA armazena informação genética
A estrutura única do DNA é a chave para a sua capacidade de armazenar e replicar informação genética:
Figure 1
Neste resultado, você aprenderá a descrever a estrutura da dupla hélice do DNA: sua escada de espinha dorsal de fosfato de açúcar com “rungs” de base nitrogenada de escada.
Realizações de aprendizagem
- Diagramar a estrutura do DNA
- Relatar a estrutura do DNA para o armazenamento de informação genética
Estrutura do DNA
Os blocos de construção do DNA são nucleotídeos. Os componentes importantes de cada nucleotídeo são uma base nitrogenada, desoxirribose (açúcar 5-carbono) e um grupo fosfato (ver figura 2). Cada nucleotídeo é nomeado em função da sua base nitrogenada. A base nitrogenada pode ser uma purina, tal como adenina (A) e guanina (G), ou uma pirimidina, tal como citosina (C) e timina (T). Uracil (U) também é uma pirimidina (como visto na Figura 2), mas só ocorre no RNA, do qual falaremos mais adiante.
Figure 2. Cada nucleotídeo é composto por um açúcar, um grupo fosfato, e uma base nitrogenada. O açúcar é desoxirribose no DNA e ribose no RNA.
Os nucleotídeos combinam-se entre si por ligações covalentes conhecidas como ligações ou ligações fosfodiéster. O resíduo de fosfato é ligado ao grupo hidroxila do carbono 5′ de um açúcar de um nucleotídeo e ao grupo hidroxila do carbono 3′ do açúcar do próximo nucleotídeo, formando assim uma ligação fosfodiéster 5′-3′.
Nos anos 50, Francis Crick e James Watson trabalharam juntos para determinar a estrutura do ADN na Universidade de Cambridge, Inglaterra. Outros cientistas como Linus Pauling e Maurice Wilkins também estavam explorando ativamente este campo. Pauling tinha descoberto a estrutura secundária das proteínas utilizando a cristalografia de raios X. No laboratório de Wilkins, a pesquisadora Rosalind Franklin estava usando métodos de difração de raios X para entender a estrutura do DNA. Watson e Crick foram capazes de montar o quebra-cabeça da molécula de DNA com base nos dados de Franklin porque Crick também tinha estudado a difração de raios-X (Figura 3). Em 1962, James Watson, Francis Crick e Maurice Wilkins foram agraciados com o Prêmio Nobel de Medicina. Infelizmente, até então Franklin tinha morrido, e os prêmios Nobel não são concedidos postumamente.
Figure 3. O trabalho de cientistas pioneiros (a) James Watson, Francis Crick e Maclyn McCarty levou ao nosso entendimento atual do DNA. A cientista Rosalind Franklin descobriu (b) o padrão de difração de raios X do DNA, o que ajudou a elucidar sua estrutura de dupla hélice. (crédito a: modificação do trabalho de Marjorie McCarty, Public Library of Science)
Watson e Crick propuseram que o DNA é composto de duas cordas que são torcidas uma em torno da outra para formar uma hélice de direita. O emparelhamento de bases ocorre entre um purino e uma pirimidina; ou seja, pares A com pares T e G com C. Adenina e timina são pares de bases complementares, e citosina e guanina são também pares de bases complementares. Os pares de bases são estabilizados por ligações de hidrogênio; adenina e timina formam duas ligações de hidrogênio e citosina e guanina formam três ligações de hidrogênio. As duas vertentes são de natureza antiparalela, ou seja, a extremidade 3′ de uma vertente está virada para a extremidade 5′ da outra vertente. O açúcar e o fosfato dos nucleotídeos formam a espinha dorsal da estrutura, enquanto que as bases nitrogenadas são empilhadas no interior. Cada par de bases é separado do outro par de bases por uma distância de 0,34 nm, e cada volta da hélice mede 3,4 nm. Portanto, dez pares de bases estão presentes por volta da hélice. O diâmetro da hélice dupla de DNA é de 2 nm, e é uniforme em toda a sua extensão. Somente o emparelhamento entre uma purina e uma pirimidina pode explicar o diâmetro uniforme. A torção dos dois fios ao redor um do outro resulta na formação de sulcos maiores e menores uniformemente espaçados (Figura 4).
Figure 4. O DNA tem (a) uma estrutura de dupla hélice e (b) ligações fosfodiéster. Os (c) sulcos maiores e menores são locais de ligação das proteínas de ligação do DNA durante processos como transcrição (a cópia do RNA do DNA) e replicação.
Informação genética
A informação genética de um organismo é armazenada em moléculas de DNA. Como pode um tipo de molécula conter todas as instruções para fazer seres vivos complicados como nós? Que componente ou característica do DNA pode conter esta informação? Tem que vir das bases nitrogenadas, porque, como você já sabe, a espinha dorsal de todas as moléculas de DNA é a mesma. Mas existem apenas quatro bases encontradas no ADN: G, A, C e T. A sequência destas quatro bases pode fornecer todas as instruções necessárias para construir qualquer organismo vivo. Pode ser difícil imaginar que 4 “letras” diferentes possam comunicar tanta informação. Mas pense na língua inglesa, que pode representar uma enorme quantidade de informação usando apenas 26 letras. Ainda mais profundo é o código binário usado para escrever programas de computador. Este código contém apenas uns e zeros, e pense em todas as coisas que o seu computador pode fazer. O alfabeto de DNA pode codificar instruções muito complexas usando apenas quatro letras, embora as mensagens acabem sendo muito longas. Por exemplo, a bactéria E. coli carrega suas instruções genéticas em uma molécula de DNA que contém mais de cinco milhões de nucleotídeos. O genoma humano (todo o DNA de um organismo) consiste em cerca de três bilhões de nucleotídeos divididos entre 23 moléculas de DNA pareadas, ou cromossomos.
A informação armazenada na ordem das bases é organizada em genes: cada gene contém informação para fazer um produto funcional. A informação genética é primeiramente copiada para outro polímero de ácido nucleico, RNA (ácido ribonucleico), preservando a ordem das bases nucleotídicas. Os genes que contêm instruções para fazer proteínas são convertidos em RNA (mRNA) mensageiro. Alguns genes especializados contêm instruções para fazer moléculas funcionais de RNA que não fazem proteínas. Estas moléculas de RNA funcionam afetando processos celulares diretamente; por exemplo, algumas destas moléculas de RNA regulam a expressão do mRNA. Outros genes produzem moléculas de RNA que são necessárias para síntese de proteína, transferir RNA (tRNA), e RNA ribossomal (rRNA).
Para que o DNA funcione efetivamente no armazenamento de informação, dois processos chave são necessários. Primeiro, a informação armazenada na molécula de DNA deve ser copiada, com o mínimo de erros, toda vez que uma célula se divide. Isto assegura que ambas as células filhas herdam o conjunto completo de informações genéticas da célula mãe. Segundo, a informação armazenada na molécula de DNA deve ser traduzida, ou expressa. Para que a informação armazenada seja útil, as células devem poder acessar as instruções para fazer proteínas específicas, para que as proteínas corretas sejam feitas no lugar certo no momento certo.
Figure 5. A dupla hélice do DNA. Gráfico modificado a partir de “DNA estrutura química”, por Madeleine Price Ball, CC-BY-SA-2.0
A cópia e leitura da informação armazenada no DNA baseia-se no emparelhamento de base entre dois fios de polímeros de ácido nucleico. Lembre-se que a estrutura do DNA é uma dupla hélice (ver Figura 5).
O açúcar deoxirribose com o grupo fosfato forma o andaime ou a espinha dorsal da molécula (destacado em amarelo na Figura 5). As bases apontam para dentro. As bases complementares formam ligações de hidrogênio entre si dentro da dupla hélice. Veja como as bases maiores (purinas) se emparelham com as menores (pirimidinas). Isto mantém a largura da dupla hélice constante. Mais especificamente, pares A com pares T e C com G. Como discutimos a função do DNA nas seções subseqüentes, tenha em mente que existe uma razão química para o emparelhamento específico das bases.
Para ilustrar a conexão entre a informação no DNA e uma característica observável de um organismo, vamos considerar um gene que fornece as instruções para a construção do hormônio insulina. A insulina é responsável pela regulação dos níveis de açúcar no sangue. O gene da insulina contém instruções para a montagem da proteína insulina a partir de aminoácidos individuais. A alteração da seqüência de nucleotídeos na molécula de DNA pode alterar os aminoácidos na proteína final, levando ao mau funcionamento da proteína. Se a insulina não funcionar correctamente, pode não ser capaz de se ligar a outra proteína (receptor de insulina). No nível de organização do organismo, este evento molecular (alteração da seqüência de DNA) pode levar a um estado de doença – neste caso, diabetes.
Practice Questions
A ordem dos nucleotídeos em um gene (no DNA) é a chave para como a informação é armazenada. Por exemplo, considere estas duas palavras: estável e tabelas. Ambas palavras são construídas a partir das mesmas letras (subunidades), mas a ordem diferente destas subunidades resulta em significados muito diferentes. No DNA, a informação é armazenada em unidades de 3 letras. Use a seguinte chave para decodificar a mensagem criptografada. Isso deve ajudá-lo a ver como a informação pode ser armazenada na ordem linear dos nucleotídeos no DNA.
| ABC = a | DEF = d | GHI = e | JKL = f |
| MNO = h | PQR = i | STU = m | VWX = n |
| YZA = o | BCD = r | EFG = s | HIJ = t |
| KLM = w | NOP = j | QRS = p | TUV = y |
Mensagem criptografada: HIJMNOPQREFG – PQREFG – MNOYZAKLM – DEFVWXABC – EFGHIJYZABCDGHIEFG – PQRVWXJKLYZABCDSTUABCHIJPQRYZAVWX
Onde no DNA está a informação armazenada?
- A forma do ADN
- A espinha dorsal do açúcar-fosfato
- A sequência das bases
- A presença de dois fios.
Qual a afirmação correcta?
- A sequência de bases de ADN está organizada em cromossomas, a maioria dos quais contém as instruções para construir um aminoácido.
- A sequência de cadeias de ADN está organizada em cromossomas, a maioria dos quais contém as instruções para construir uma proteína.
- A sequência de bases de ADN está organizada em genes, a maioria dos quais contém as instruções para construir uma proteína.
- A sequência de fosfatos de ADN está organizada em genes, a maioria dos quais contém as instruções para construir uma célula.
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