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QUÍMICA NOVA NA ESCOLA N° 17, MAIO 2003A descoberta da estrutura do DNA

Em abril de 2003, o mundocelebrou o cinqüentenário dadescoberta da estrutura em

dupla hélice do ácido desoxirribonu-cléico, mais conhecido como DNA -sua sigla do Inglês (Watson, 1968;Crick, 1990). A importância dessadescoberta, talvez a mais importanteda história da Biologia moderna, resideno fato do DNA de cada célula contertoda a informação genética para ascaracterísticas e funções da mesma.Essa conquista seminal da Ciência es-tá sendo celebrada de diversas formaspor ter atualmente um alcance profun-do em nosso cotidiano. Com o rápidodesenvolvimento científico e tecnoló-gico na área de Biotecnologia, emgrande parte iniciado por essa desco-berta, diversos aspectos da sociedademoderna estão sendo afetados.

Esse feito envolveu três instituiçõesde pesquisa. O Laboratório Cavendishna Universidade de Cambridge, a Uni-dade de Biofísica do King’s College,ambos na Inglaterra, e nos EstadosUnidos da América, o Instituto deTecnologia da Califórnia (mais conhe-cido pela sigla Caltech), em Pasadena,onde houve a contribuição do trabalhode Linus Pauling (1901-1994).

O conceito de que a informação ge-nética das células e dos organismos

vivos que determina as característicasde cada ser vivo está contida nas molé-culas de DNA é bem aceito na atuali-dade, mas nem sempre foi assim. Umgrande número de pesquisadorescontribuiu para que a função do DNAfosse finalmente identificada.

Primeiros passos

Os primeiros conceitos de genética,

publicados em 1865, foram desenvol-vidos por um monge austríaco, GregorMendel (1822-1884), que trabalhandosozinho deduziu, a partir de experimen-tos muito bem elaborados com plantasde ervilha, que algumas característicassão herdadas em “unidades” (Figura1A). Esse trabalho não foi notado pelacomunidade científica até ser desco-berto por Hugo De Vries (1848-1935) e

Recebido em 1/5/03, aceito em 3/5/03

Otavio Henrique Thiemann

O desenvolvimento da descoberta cientifica nem sempre é linear e ocorre de forma direta. Os acontecimentos quelevaram à descoberta da estrutura tridimensional do DNA por James Watson e Francis Crick representa uma fascinantehistoria da Ciência moderna. Neste ano celebra-se o cinqüentenário dessa descoberta tão fundamental e de conseqüênciastão abrangentes para a vida moderna e o desenvolvimento tecnológico em diversos campos da investigação atual. Esteartigo é um breve relato ilustrativo de como se desenvolveu o conhecimento científico culminando nessa fundamentaldescoberta.

ácido desoxirribonucléico, DNA, dupla hélice, historia da Ciência �

�

Figura 1: (A) Gregor Mendel e seu jardim no monastério onde realizou os experimentos decruzamento com plantas de ervilhas, os quais levaram-no a desenvolver suas teorias dahereditariedade. (B) Hugo De Vries; em 1900, ele e seus colaboradores redescobriram ostrabalhos de Mendel e formularam as leis da hereditariedade.

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Pentose Purinas

Pirimidinas

Adenina Guanina

CitosinaTimina

(no DNA)

Uracil

(no RNA)

Base: purina

ou piridimina

seus colaboradores, em 1900, os quaisestabeleceram as leis da hereditarie-dade (Figura 1B). Muito tempo se pas-sou e diversas descobertas foram reali-zadas descrevendo a composição quí-mica das células.

Poucos anos após os trabalhos deMendel, em 1868, um jovem pesqui-sador, Friedrich Miescher (1844-1895),purificou uma nova substância no ma-terial nuclear de células, chamada denucleína (Figura 2). Essa descobertanão causou grande interesse na época,pois a maioria se interessava principal-mente pelas proteínas que estavamcontidas no núcleo das células.

A primeira sugestão apontando oDNA como repositório do material ge-nético de uma célula veio do trabalhode Walther Flemming (1843-1905) que,em 1882, descobriu o processo de mi-tose e o comportamento dos cromos-somos durante a divisão celular. Essadescoberta, porém, não tornou o DNAo principal candidato ao posto de car-reador da informação genética. Umasérie de descobertas descrevem oDNA como um polímero que contémapenas quatro formas químicas dife-rentes: os nucleotídeos adenina (A),guanina (G), citosina (C) e timina (T)(Figura 3). Em particular, o trabalho dePhoebus Aaron Theodor Levene (1869-1940), que fez contribuições importan-tes nesse aspecto e, em 1909, propôsa “teoria do tetranucleotídeo” (Figura4). Por essa teoria, o DNA seria com-posto por repetições monótonas des-ses quatro nucleotídeos. Dessa forma,uma molécula com essa característica,

certamente não carregaria informaçãoquímica suficiente para codificar todasas características necessárias à manu-tenção de uma célula e à hereditarie-dade. Pensava-se que essa complexi-dade esperada do material genéticoseria satisfeita apenas por proteínas,que são polímeros de 20 aminoácidos.

Apesar disso, a pesquisa com oDNA prosseguiu e, em 1909, um gene-ticista dinamarquês, Wilhelm L.Johannsen (1857-1927), cunhou o no-me “gene” para a unidade descrita porMendel e, em 1911, Thomas Hunt Mor-gan (1866-1945), trabalhando com amosca da fruta, Drosofila melanogaster,mostrou pela primeira vez que os ge-nes estão arranjados de forma linearnos cromossomos (Figura 5).

Evidências sobre o papel do DNA

As evidências experimentais de queo DNA é o materialgenético surgiramde uma série de ex-perimentos muitoelegantes realiza-dos a partir de1928. Nesse ano,Frederick Griffith,usando extratosquímicos, conver-teu inócuas bacté-rias de pneumonia

A descoberta da estrutura do DNA

Figura 2: Friedrich Miescher e seu laboratório, onde realizou aspurificações e descobriu a nucleína.

Figura 3: As unidades do DNA são formadas por um nucleotídeo que é composto por umaçúcar (pentose) e uma base nitrogenada. Essa base nitrogenada pode ser de dois tipos,uma purina ou uma pirimidina. Além do DNA, as células também possuem moléculas deRNA (sigla do Inglês para ácido ribonucléico). Este é diferente do DNA por sua moléculater um outro OH na posição 2’ da pentose (o DNA possui um H) e, ao invés da base timina(T), ter a base uracil (U).

Figura 4: A teoria do tetranucleotídeo foi in-troduzida por Phoebus A.T. Levene, junta-mente com inúmeras importantes contri-buições de seu trabalho na caracterizaçãoquímica do DNA.

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na sua forma pato-gênica. A naturezadesse fator de here-ditariedade não foisugerido por ele naocasião.

Em um interes-sante livro de 1943,intitulado What islife?, Erwin Schrö-dinger (1887-1961)apresentou o con-ceito dos genesserem a compo-nente chave dascé lulas vivas( S c h r ö d i n g e r ,1997). Entretantosegundo os para-

A descoberta da estrutura do DNA

Figura 5: (A) Wilhelm Johannsen fotografado durante uma apre-sentação a seus alunos; foi o responsável por cunhar o nome “ge-ne” para a unidade de transferência da hereditariedade. (B) Tho-mas H. Morgan; trabalhando com moscas de fruta (Drosophilamelanogaster), identificou que os genes estão arranjados emseqüência nos cromossomos.

Figura 6: Oswald T. Avery (esq.) e seus colaboradores Colin MacLeod e Maclyn McCartydemonstraram o princípio transformante proposto por Frederick Griffith em 1928.

Figura 7: Martha Chase e Alfred Hershey; em seus experimentos com bacteriófagos, vírusque infectam bactérias, demonstraram definitivamente que o DNA é o material responsávelpela transmissão dos caracteres hereditários.

digmas da época, ele supôs que osgenes seriam uma classe especial deproteínas. Mas logo no ano seguinte,em plena 2ª Guerra Mundial, OswaldT. Avery (1877-1955) e seus colegas,Colin MacLeod (1909-1972) e MaclynMcCarty (1911-) - Figura 6, baseadosnas observações de Griffith, demons-traram ser o DNA a molécula respon-sável pelo princípio transformante. Oexperimento definitivo surgiu somenteem 1952, com os elegantes experi-mentos de Alfred Hershey (1908-1997)e Martha Chase (1930-) - Figura 7. Des-sa forma, ficou consolidada a noçãode que o material genético é constituí-do de moléculas de DNA e não de pro-teínas, como alguns pesquisadoresainda acreditavam até então. Com issose tornou de grande importância a des-coberta da estrutura dessa intrigantemolécula, pois já se especulava queuma descoberta dessa natureza reve-laria como a informação é armazenadano DNA e como ela seria transmitidade um indivíduo para seu descendente.

Uma descoberta fundamental paratal foi realizada por Erwin Chargaff(1905-2002), em 1950 (Figura 8).Chargaff investigou a composição doDNA de diversos organismos e con-cluiu que a composição de bases doDNA varia entre as espécies, mas queamostras de DNA isoladas de diferen-tes tecidos da mesma espécie têm amesma composição de bases (A, C, Te G). Ele também pôde observar quea composição de bases do DNA numadada espécie não muda com a idadedo organismo, estado nutricional oumudanças ambientais. Sua observa-ção mais importante, porém, talvez te-nha sido de que em todos os DNA celu-lares, não importa qual a espécie, onúmero de bases adenina é igual aode timina (A = T) e o de guanina é igualao de citosina (G = C). Essa passou aser conhecida como “Regra deChargaff” (Figura 8).

Passos para a descoberta da estrutura

do DNA

Entre 1944 e 1945, Maurice Wilkins(1916-) - Figura 9 - trabalhava em pro-cessos de separação de isótopos deurânio com espectrógrafos de massano Projeto Manhattan, em Berkeley(EUA). Nesse período, leu o livro de

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Schrödinger e se interessou pelo tema.Depois de ler os artigos publicadospelo grupo de Avery, Wilkins supôs queo DNA era o transmissor da heredita-riedade e, em 1947, foi para Londrestrabalhar com John T. Randall (1905-1984) - Figura 9 - sobre vários temasligados ao DNA, na récem-criadaUnidade de Biofísica do King’s College.Iniciou os primeiros experimentos de di-fração de raios X com fibras de DNA em1950, depois de receber uma pequenaquantidade de DNA muito puro deRudolph Signer, um bioquímico suíço.

Os experimentos de difração deraios X realizados no laboratório de Wil-kins foram conduzidos por RosalindElsie Franklin (1920-1958) - Figura 9,que se juntou à Unidade de Biofísicado King’s College em novembro de1951 para trabalhar com DNA (sobreFranklin, vide Farias, 2001 ou Maddox,2002). Ela produziu fibras muito finasde DNA e as irradiou com um feixeultrafino de raios X. Em pouco tempoela descobriu que o DNA se apresen-tava em duas formas diferentes, asquais denominou de A e B (Figura 10).A forma A, facilmente fotografada, cor-respondia a fibras de DNA desidra-tadas, enquanto a forma B correspon-dia a fibras molhadas de DNA. Apesarde mais difícil de registrar com os raiosX, a forma B mostrava um padrão com-patível com uma hélice (Figura 10).Uma vez que a água poderia ser atraí-da pelos grupos fosfato do DNA, e estepoderia ser facilmente hidratado e de-sidratado, ela sugeriu que os fosfatosdo DNA se localizavam no exterior dahélice e as bases nitrogenadas (A, C,G e T) estariam assim voltadas para ointerior.

Ao mesmo tempo, no Caltech, Pau-ling (Figura 11) também estava traba-lhando para resolver a estrutura doDNA, com o uso de poucos dados ex-perimentais: apenas algumas fotos dedifração de fios de cabelo e seu agu-çado bom-senso químico. Essas duasferramentas, associadas ao uso demodelos moleculares, levaram Paulinga deduzir a estrutura em hélice alfa paraas proteínas.

A descoberta da estrutura do DNA

Nesse mesmo ano, Francis HarryCrick (1916-) - Figura 12 - estava tra-

Quantidades de matéria* (em mol) das bases em DNA de diferentes fontes.

Organismo Tecido Adenina Timina Guanina Citosina

E. coli (K12) — 26,0 23,9 24,9 25,2

D. pneumoniae — 29,8 31,6 20,5 18,0

M. tuberculosis — 15,1 14,6 34,9 35,4

Levedura — 31,3 32,9 18,7 17,1

P. lividus (ouriço do mar) esperma 32,8 32,1 17,7 18,4

Arenque esperma 27,8 27,5 22,2 22,6

Rato tutano de osso 28,6 28,4 21,4 21,5

Humano timo 30,9 29,4 19,9 19,8

Humano fígado 30,3 30,3 19,5 19,9

Humano esperma 30,7 31,2 19,3 18,8

*Por 100 mols de fostato na forma hidrolisada do DNA.

Figura 8: Erwin Chargaff; após inúmeros estudos da composição do DNA em diversostecidos e varias espécies, concluiu que a ocorrência das quatro bases no DNA obedeceàs relações A = T e C = G. Esta regra é conhecida como “Regra de Chargaff”.

Figura 9: Rosalind E. Franklin trabalhou com Maurice Wilkins no estudo do DNA. Wilkins eJohn Randall trabalharam juntos na Unidade de Biofísica do King’s College em Londres.

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balhando em sua tese de doutoradono Laboratório Cavendish, estudandoa estrutura cristalina da hemoglobina,sob orientação de Max Perutz (1914-2002). Crick se formou em Física e du-rante a 2ª Guerra trabalhou para o Al-mirantado Britânico, indo estudar Bio-logia em 1947. Em 1949 se juntou àunidade chefiada por Max Perutz e sirWilliam Lawrence Bragg (1890-1971) -Figura 12. Nesse período, Crick conhe-ceu James Dewey Watson (1928-) -Figura 12 -, que muito influenciou suacarreira.

Watson, formado em Biologia ecom um doutorado em Zoologia estu-

Figura 10: Duas fotos de difração de raios-X obtidas por Rosalind ranklin e Maurice Wilkins do DNA desidratado (A) e hidratado (B). Oexame da foto de difração do DNA B permitiu a Watson e Crick concluírem diversas características da hélice.

Figura 12: Francis Crick e James Watson foram trabalhar juntos em Cambridge sob asupervisão de Max Perutz e John Kendrew, respectivamente, no grupo liderado por sirWilliam Lawrence Bragg.

Figura 11: Linus Pauling, fotografado commodelos da estrutura alfa hé l ice deproteínas, também se dedicou a resolver aestrutura do DNA.

dando o efeito de raios X na multipli-cação de bacteriófagos (vírus queinfectam bactérias), realizou seu pri-meiro ano de pós-doutorado em Cope-nhagen. Nessa época, conheceu Wil-kins em um simpósio em Nápoles. Aoassistir a palestra de Wilkins, ficou esti-mulado pelas imagens de difração deDNA e decidiu mudar o rumo de suapesquisa. No outono de 1951, mudou-se para o Laboratório Cavendish, traba-lhando sob a supervisão de John C.

Kendrew (1917-1997) – Figura 12. Empouco tempo Crick e Watson se tor-naram amigos e descobriram seu inte-resse comum pela estrutura do DNA.

Eles consideraram que seria pos-sível resolver a estrutura do DNA ba-seados nas imagens de difração obti-das por Franklin e Wilkins, do King’sCollege, e por um cuidadoso examedas configurações estereoquímicas dacadeia de polinucleotídeos. A aborda-gem seria semelhante à usada porPauling, usando modelos e deduçãológica. A primeira investida de Watson

DNA tipo “B”: forma hidratada e poucocristalina; a foto com um “X” é a

assinatura de estruturas em hélices.

As reflexões do “X” indicam que aperiodicidade da hélice é de ~34 Å

A reflexão axial indica diâmetro dahélice da ordem de 20 Å

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Figura 14: Empregando as bases desenhadas em cartões, Watson percebeu como deveriamse formar pontes de hidrogênio entre elas e a importância da relação de Chargaff. Nestafigura está ilustrada a primeira hipótese na qual o número de pontes de hidrogênio entre Ce G é de apenas duas. Posteriormente verificaram a possibilidade de se formarem trêspontes entre C e G. Finalmente, após alguns refinamentos no modelo, chegaram à propostafinal da estrutura do DNA.

e Crick para resolver a estrutura foinaquele mesmo outono de 1951. Crickse encarregou de realizar os cálculosteóricos fundamentais sobre a difraçãode hélices. Nessa mesma épocaWatson foi assistir a um seminário deFranklin no King’s College sobre seusdados de difração; porém, por nãotomar nota dos dados apresentadospor ela, errou a quantidade de águaestimada por Franklin nas fibras deDNA. Baseados nessa informaçãoincorreta, eles decidiram que a hélicede DNA deveria ser composta por trêscadeias de nucleotídeos. Para po-derem obter a regularidade de héliceobservada nos experimentos de difra-ção, decidiram que os fosfatos esta-riam posicionados para o interior da es-trutura e não, para o exterior. Para com-pensar as cargas negativas dos fosfa-tos, adicionaram ao modelo íons mag-nésio no interior da hélice (Figura 13).

No ano seguinte, o filho de LinusPauling, Peter, foi para Cambridge fazerdoutorado com Kendrew. Por intermé-dio dele, Watson e Crick ficaram saben-do de um artigo de Pauling descreven-do a estrutura do DNA como uma triplahélice, à semelhança da estrutura emque estavam trabalhando. Rapidamen-te perceberam o erro, pois os fosfatospara o interior da estrutura os tornariam

protonados e assim o DNA perderia oseu caráter ácido.

Esse erro de Pauling estimulou-osa retomarem com vigor essa linha depesquisa, pois sabiam que não demo-raria muito para Pauling perceber o seuerro e corrigi-lo. Em uma discussãocom Wilkins no King’s College sobre oartigo de Pauling, Watson viu novamen-te as figuras de difração do DNA naforma hidratada (B), obtidas por Fran-klin, e ficou sabendo de sua conclusãode que os fosfatos deveriam estar dolado de fora da hélice.

Depois de seguidas tentativas, em28 de fevereiro de 1953 Watson fez mo-delos das bases (A, C, G e T) em pe-daços de cartão (Figura 14), na tenta-tiva de identificar possíveis modos deinteração. Percebeu então que os pa-res A - T e C - G formavam ligações dehidrogênio, resultando em pares de

A descoberta da estrutura do DNA

Figura 13: (A) Se sabia que o DNA era um polímero de nucleotídeos, onde um nucleotídeo e o seguinte são unidos por uma ligação tipofosfodiester. Esse fosfato confere a característica ácida ao DNA. (B) Primeira proposta de Watson e Crick para a estrutura do DNA: umatripla hélice com os fosfatos no interior e as bases para fora (no modelo, para compensar as cargas negativas dos fosfatos, eles introduziramíons de magnésio).

dimensões quase idênticas, o que per-mitiria que a hélice se mantivesse como mesmo diâmetro, independente dopareamento de bases no interior. Essearranjo satisfez à regra proposta porChargaff, pela qual A = T e C = G.Depois de trabalharem sobre esse mo-delo por mais alguns dias, refinando omesmo para que fosse coerente comos dados de difração de raios X, eleschegaram ao modelo final (Figura 14).

Pouco depois, em março, Wilkins eFranklin visitaram o laboratório ondetrabalhavam Watson e Crick para ver omodelo (Figura 15). Nessa ocasião,Franklin mostrou seus dados que in-questionavelmente posicionavam osfosfatos para fora da hélice. Em umavisita subseqüente de Linus Pauling,eles mostraram o modelo que foi rapi-damente aprovado por Pauling. Em 2de abril de 1953 submeteram seu mo-

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Abstract: The Discovery of the Structure of DNA: From Mendel to Watson and Crick - The flow of scientific discovery is not always linear or occurs in a direct way. The events that led to the discovery of

the tridimensional structure of DNA by James Watson and Francis Crick represents a fascinating tale of modern science. The fiftieth anniversary of this discovery, so fundamental and of so overwhelmingconsequences for modern life and the technological development in several areas of current research, is celebrated this year. This paper is a brief report illustrative of how scientific knowledge evolvedculminating in this fundamental discovery.

Keywords: desoxyribonucleic acid, DNA, double helix, history of science

Bibliografia

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SCHRODINGER, E. O que é vida? Oaspecto físico da célula viva seguido demente e matéria e fragmentos autobio-gráficos. Trad. J. de P. Assis e V.Y.K. de P.Assis. São Paulo: Fundação Editora daUnesp, 1997.

WATSON, J.D. The double helix: a per-

A descoberta da estrutura do DNA

Figura 15: Famosa fotografia de Watson e Crickexplicando seu modelo aos visitantes do laboratório.A informação de Franklin de que os fosfatosdeveriam estar do lado de fora da molécula foi cru-cial para a montagem do modelo.

Figura 16: Foto de Maurice Wilkins, John Steinbeck,John Kendrew, Max Perutz, Francis Crick e JamesWatson, quando do recebimento dos Prêmios Nobelde Medicina ou Fisiologia, de Literatura e de Quími-ca, em 1962.

delo da estrutura do DNA em um artigopara a renomada revista Nature. A esseartigo seguiu-se a proposta de umesquema de replicação da molécula deDNA (mostrado acima, à direita).

No ano seguinte, Crick obteve seutítulo de doutor com a tese “Difraçãode raios X: polipeptídeos e proteínas”.Mais tarde, e em colaboração comSydney Brener, Crick contribuiu com

sonal account of the discovery of the struc-ture of DNA. Nova Iorque, The New Ameri-can Library, 1968.

Para saber mais

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HAUSMAN, R. História da Biologia Mo-lecular. Ribeirão Preto, Funpec Editora,2002.

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Página da Fundação Nobel sobre oPrêmio Nobel de Medicina ou Fisiologiade 1962 - http://www.nobel.se/medicine/laureates/1962/index.html.

Revista Pesquisa FAPESP: Dupla hélice– 50 anos. n. 86 (suplemento), abril 2003.http://revistapesquisa.fapesp.br:2222/transform.php?lang=pt&section=SEC15&xsl=xsl/pt/toc_section.xsl.

Sítio da Universidade Estadual de Or-egon: Linus Pauling and the race for DNA:a documentary history - http://osulibrary.orst.edu/specialcollections/coll/pauling/dna/index.html.

avanços fundamentais no campo dasíntese de proteínas e do códigogenético.

Em 1962, Crick, Watson e Wilkinscompartilharam o Prêmio Nobel de Me-dicina ou Fisiologia pela descoberta daestrutura do DNA. No mesmo ano,Perutz e Kendrew dividiram o Prêmio No-bel de Química pelos estudos estruturaisde proteínas globulares (Figura 16).

O modelo proposto por Watson eCrick explica perfeitamente os dadosde difração de raios X e permite deduzira forma de replicação da molécula deDNA. Representa até hoje um marcona história da Ciência, permitindo afundação da área de pesquisa hojeconhecida como Biologia Molecular, naqual a manipulação do DNA recombi-nante tem papel fundamental.

Otavio Henrique Thiemann (thiemann@if.sc.usp.br),mestre em Ciências Biológicas (Biofísica) pela Uni-versidade Federal do Rio de Janeiro e doutor emCiências (Biologia Celular, Molecular e do Desenvol-vimento) pela Universidade da Califórnia em Los Ange-les (EUA), é docente do Instituto de Físicia de SãoCarlos da USP.