A Importância das Moléculas de DNA

O DNA é uma das poucas combinações de letras no cerne de uma disciplina científica que parece desencadear uma nível significativo de compreensão, mesmo em pessoas com pouca exposição vitalícia à biologia ou às ciências em em geral. A maioria dos adultos que ouve a frase "Está no DNA dela" reconhece imediatamente que um traço específico é inseparável da pessoa que está sendo descrita; que a característica é de alguma forma inata, nunca vai embora e pode ser transferida para os filhos dessa pessoa e além. Isso parece ser verdade mesmo nas mentes daqueles que não têm idéia do que "DNA" representa, que é "ácido desoxirribonucléico".

Os humanos são compreensivelmente fascinados com o conceito de herdar características de seus pais e transmitir suas próprias características para seus filhos. É natural que as pessoas reflitam sobre seu próprio legado bioquímico, mesmo que poucos possam imaginá-lo em termos formais. O reconhecimento de que minúsculos fatores invisíveis dentro de cada um de nós governam a aparência e o comportamento dos filhos das pessoas certamente está presente há centenas de anos. Mas foi só em meados do século 20 que a ciência moderna revelou em detalhes gloriosos não apenas o que eram as moléculas responsáveis ​​pela herança, mas também sua aparência.

O ácido desoxirribonucléico é de fato o projeto genético que todos os seres vivos mantêm em suas células, uma impressão digital microscópica única que não apenas torna cada ser humano um indivíduo literal único (gêmeos idênticos, exceto para os propósitos presentes), mas revela uma grande quantidade de informações vitais sobre cada pessoa, a partir do probabilidade de estar relacionado a outra pessoa específica com as chances de desenvolver uma determinada doença mais tarde na vida ou de transmitir tal doença para o futuro gerações. O DNA se tornou não apenas o ponto central natural da biologia molecular e das ciências da vida como um todo, mas também um componente integral da ciência forense e da engenharia biológica.

James Watson e Francis Crick (e menos comumente, Rosalind Franklin e Maurice Wilkins) são amplamente creditados com a descoberta do DNA em 1953. Essa percepção, entretanto, é errônea. Criticamente, esses pesquisadores estabeleceram de fato que o DNA existe em forma tridimensional na forma de um dupla hélice, que é essencialmente uma escada torcida em diferentes direções em ambas as extremidades para criar uma espiral forma. Mas esses cientistas determinados e frequentemente celebrados estavam "apenas" construindo sobre o trabalho árduo de biólogos que labutaram em busca das mesmas informações gerais já na década de 1860, experimentos que foram tão inovadores por si próprios quanto os de Watson, Crick e outros na pesquisa pós-Segunda Guerra Mundial era.

Em 1869, 100 anos antes dos humanos viajarem para a lua, um químico suíço chamado Friedrich Miescher procurou extrair os componentes da proteína dos leucócitos (glóbulos brancos) para determinar sua composição e função. O que ele extraiu, ele chamou de "nucleína" e, embora ele não tivesse os instrumentos necessários para aprender o que os futuros bioquímicos seriam capaz de aprender, ele discerniu rapidamente que esta "nucleína" estava relacionada com proteínas, mas não era ela própria uma proteína, que continha um invulgar quantidade de fósforo, e que esta substância era resistente a ser degradada pelos mesmos fatores químicos e físicos que degradaram proteínas.

Levaria mais de 50 anos para que a verdadeira importância da obra de Miescher se tornasse evidente. Na segunda década de 1900, um bioquímico russo, Phoebus Levene, foi o primeiro a propor que, o que chamamos de nucleotídeos hoje, consistia em uma porção de açúcar, uma porção de fosfato e uma base parte; que o açúcar era ribose; e que as diferenças entre os nucleotídeos eram devidas às diferenças entre suas bases. Seu modelo de "polinucleotídeo" tinha algumas falhas, mas pelos padrões da época, estava incrivelmente certo.

Em 1944, Oswald Avery e seus colegas da Universidade Rockefeller foram os primeiros pesquisadores conhecidos a sugerir formalmente que o DNA consistia em unidades hereditárias, ou genes. Acompanhando seu trabalho, bem como o de Levene, o cientista austríaco Erwin Chargaff fez duas descobertas importantes: um, que a sequência de nucleotídeos no DNA varia entre as espécies de organismos, ao contrário do que Levene tinha proposto; e dois, que em qualquer organismo, a quantidade total das bases nitrogenadas adenina (A) e guanina (G) combinada, independentemente da espécie, era praticamente sempre a mesma que a quantidade total de citosina (C) e timina (T). Isso não levou Chargaff a concluir que A emparelha com T e C emparelha com G em todo o DNA, mas mais tarde ajudou a sustentar a conclusão alcançada por outros.

Finalmente, em 1953, Watson e seus colegas, beneficiando-se de maneiras de melhorar rapidamente a visualização de estruturas químicas tridimensionais, colocaram todos os essas descobertas juntas e modelos de papelão usados ​​para estabelecer que uma dupla hélice se encaixava em tudo o que era conhecido sobre o DNA de uma forma poderia.

O DNA foi identificado como o material hereditário em seres vivos muito antes de sua estrutura ser esclarecida, e como frequentemente o caso na ciência experimental, esta descoberta vital foi realmente acidental para os pesquisadores principais objetivo.
Antes do surgimento da antibioticoterapia no final da década de 1930, as doenças infecciosas ceifavam muito mais vidas humanas do que fazer hoje, e desvendar os mistérios dos organismos responsáveis ​​era um objetivo crítico na pesquisa em microbiologia. Em 1913, o mencionado Oswald Avery começou um trabalho que acabou revelando um alto polissacarídeo (açúcar) em cápsulas de espécies bacterianas pneumocócicas, que foram isoladas de pneumonia pacientes. Avery teorizou que isso estimulava a produção de anticorpos em pessoas infectadas. Enquanto isso, na Inglaterra, William Griffiths realizava um trabalho que mostrava que os componentes mortos de um tipo de doença causadora pneumococo pode ser misturado com os componentes vivos de um pneumococo inofensivo e produzir uma forma causadora de doença do tipo inofensivo; isso provou que tudo o que passava dos mortos para as bactérias vivas era hereditário.

Quando Avery soube dos resultados de Griffith, ele começou a conduzir experimentos de purificação em um esforço para isolar o material preciso nos pneumococos que era hereditário e localizado em ácidos nucléicos, ou mais especificamente, nucleotídeos. O DNA já era fortemente suspeito de ter o que então era popularmente chamado de "transformador princípios, "então Avery e outros testaram essa hipótese, expondo o material hereditário a um uma variedade de agentes. Aqueles conhecidos por serem destrutivos para a integridade do DNA, mas inofensivos para as proteínas ou DNA, chamados DNAases, eram suficiente em grandes quantidades para prevenir a transmissão de características de uma geração bacteriana para o Next. Enquanto isso, as proteases, que desvendam as proteínas, não causaram esse dano.

A mensagem para levar para casa o trabalho de Avery e Griffith é que, novamente, embora pessoas como Watson e Crick tenham sido acertadamente elogiadas por suas contribuições para a genética molecular, estabelecer a estrutura do DNA foi, na verdade, uma contribuição bastante tardia para o processo de aprendizagem dessa molécula espetacular.

Chargaff, embora obviamente não tenha descrito a estrutura do DNA por completo, mostrou que, em além de (A + G) = (C + T), as duas fitas conhecidas por estarem incluídas no DNA estavam sempre à mesma distância separado. Isso levou ao postulado de que purinas (incluindo A e G) sempre ligado a pirimidinas (incluindo C e T) no DNA. Isso fazia sentido tridimensional, porque as purinas são consideravelmente maiores do que as pirimidinas, enquanto todas as purinas são essencialmente do mesmo tamanho e todas as pirimidinas são essencialmente do mesmo tamanho. Isso implica que duas purinas ligadas ocupariam consideravelmente mais espaço entre as fitas de DNA do que duas pirimidinas, e também que qualquer par de purina-pirimidina consumiria a mesma quantidade de espaço. Colocar todas essas informações exigia que A se vinculasse a, e somente a, T e que a mesma relação fosse mantida para C e G se esse modelo fosse provar bem-sucedido. E tem.

As bases (mais sobre isso depois) ligam-se umas às outras no interior da molécula de DNA, como degraus de uma escada. Mas e quanto aos fios, ou "lados", eles próprios? Rosalind Franklin, trabalhando com Watson e Crick, presumiu que essa "espinha dorsal" era feita de açúcar (especificamente um açúcar pentose, ou um com uma estrutura de anel de cinco átomos) e um grupo fosfato ligando o açúcares. Por causa da ideia recentemente esclarecida de emparelhamento de bases, Franklin e os outros perceberam que as duas fitas de DNA em uma única molécula eram "complementares" ou, na verdade, imagens de espelho uma da outra no nível de sua nucleotídeos. Isso permitiu a eles prever o raio aproximado da forma torcida do DNA com um grau sólido de precisão, e a análise de difração de raios X confirmou a estrutura helicoidal. A ideia de que a hélice era uma dupla hélice foi o último grande detalhe sobre a estrutura do DNA a se encaixar, em 1953.

Os nucleotídeos são as subunidades repetidas do DNA, o que é o oposto de dizer que o DNA é um polímero de nucleotídeos. Cada nucleotídeo consiste em um açúcar chamado desoxirribose que contém uma estrutura de anel pentagonal com uma molécula de oxigênio e quatro de carbono. Este açúcar está ligado a um grupo fosfato, e dois pontos ao longo do anel a partir desta posição, ele também está ligado a uma base nitrogenada. Os grupos fosfato unem os açúcares para formar a espinha dorsal do DNA, as duas fitas que se torcem em torno das bases pesadas de nitrogênio ligadas no meio da dupla hélice. A hélice dá uma volta completa de 360 ​​graus uma vez a cada 10 pares de bases.

Um açúcar ligado apenas a uma base nitrogenada é chamado de nucleosídeo.

O RNA (ácido ribonucléico) difere do DNA em três aspectos principais: Um, a pirimidina uracila substitui a timina. Dois, o açúcar pentose é ribose, e não desoxirribose. E três, o RNA é quase sempre de fita simples e vem em várias formas, cuja discussão está além do escopo deste artigo.

O DNA é "descompactado" em suas duas fitas complementares quando chega a hora de fazer as cópias. Enquanto isso acontece, os filamentos filhas são formados ao longo dos filamentos monoparentais. Uma dessas fitas-filhas é formada continuamente por meio da adição de nucleotídeos únicos, sob a ação da enzima DNA polimerase. Essa síntese simplesmente segue a direção da separação das fitas de DNA originais. A outra fita filha se forma a partir de pequenos polinucleotídeos chamados Fragmentos de Okazaki que na verdade se formam na direção oposta da descompactação das fitas-mãe e, em seguida, são unidas pela enzima DNA ligase.

Como as duas fitas filhas também são complementares uma à outra, suas bases acabam se ligando para formar uma molécula de DNA de fita dupla idêntica à mãe.

Nas bactérias, que são unicelulares e chamadas procariontes, uma única cópia do DNA da bactéria (também chamada de genoma) fica no citoplasma; nenhum núcleo está presente. Em organismos eucarióticos multicelulares, o DNA é encontrado no núcleo na forma de cromossomos, que são moléculas de DNA altamente enroladas, em spool e espacialmente condensadas com meros milionésimos de um metro de comprimento e proteínas chamado histonas. No exame microscópico, as partes do cromossomo que mostram "carretéis" de histonas alternadas e simples fitas de DNA (chamadas de cromatina neste nível de organização) são frequentemente comparadas a contas em um fragmento. Algum DNA eucariótico também é encontrado em organelas de células chamadas mitocôndria.