As sequências lineares de oligonucleotídeos acumulam toda a informação genética de um organismo vivo. Entre 1949 e 1953, E. Chargaff e seus colaboradores aplicaram métodos cromatográficos quantitativos para separação e análise quantitativa das quatro bases obtidas por hidrólise de amostras de ADN, isoladas de várias espécies, e mostraram que, embora a composição em bases variasse de espécie para espécie, o número de adeninas era sempre igual ao de timinas e o número de guaninas era sempre igual ao de citosinas.
A equivalência entre as bases era indicativa de uma organização estrutural das moléculas de ADN e despoletou a realização de um grande número de estudos.
No início dos anos 50, estudos de Raios X efectuados por L. Pauling, nos EUA e por R. Franklin e M. H. F. Wilkins no Reino Unido mostraram que o ADN pode ter três formas A, B e Z. Estes estudos permitiram determinar que a forma B, biologicamente mais importante, possui duas periodicidades, uma principal, de 0.34 nm, e uma secundária de 3.4 nm.
Em 1953 J. D. Watson e F. H. C. Crick (figura 60), partindo da equivalência de bases observadas por Chargaff e dos dados de Raios X de Franklin e Wilkins, postularam um modelo tridimensional para a estrutura do ADN. Este modelo, para além de explicar muitas das propriedades físico-químicas do ADN, sugeria um mecanismo pelo qual a informação genética podia ser replicada com exactidão5.
DNA – Constituintes e estruturas
145 O modelo de Watson-Crick, como ficou conhecido, consiste em duas cadeias polinucleotídicas dextrógiras, enroladas de forma helicoidal em redor do mesmo eixo, formando uma dupla hélice. As duas cadeias são anti-paralelas, isto é, as suas ligações 5’-3’ seguem direcções opostas (figura 61).
As bases purínicas e pirimidínicas de cada cadeia estão fixadas no interior da dupla hélice, com os seus planos paralelos entre si e perpendiculares ao eixo longitudinal da dupla hélice. As duas cadeias estão unidas por ligações de hidrogénio estabelecidas entre os pares de bases.
Figura 61 - Duas cadeias de ADN emparelhadas
Quando uma base se encontra livre, pode estabelecer uma ou várias ligações de hidrogénio com qualquer outra base; no entanto, a configuração da hélice é tal que o emparelhamento estável, obtido através da formação de mais do que uma ligação de hidrogénio (figuras 62 e 63), só pode ocorrer entre as bases adenina e timina (duas ligações de hidrogénio) ou guanina e citosina (três ligações de hidrogénio); diz-se então que a adenina e a timina são complementares, o mesmo acontecendo com a guanina e a citosina.6 De facto, a cada adenina numa cadeia corresponde uma timina noutra e vice-versa, o mesmo se verificando entre a guanina e a citosina. Desta forma, a sequência de bases
DNA – Constituintes e estruturas
146 numa das cadeias determina a sequência na outra cadeia, sendo este fenómeno muito importante no processo de replicação do ADN.
Figura 62 - Ligações estabelecidas entre os pares A e T (duas ligações de
hidrogénio)7
Figura 63 - Ligações estabelecidas entre os pares G e C (três ligações de
hidrogénio).7
Os únicos dois pares possíveis são portanto os pares AT e GC. O par AG não se forma, uma vez que é muito grande para se acomodar dentro de uma hélice com uma espessura de 2 nm; por seu lado, no par CT as bases ficariam muito distantes para formar entre si ligações de hidrogénio estáveis. Portanto, a dupla hélice de Watson-Crick envolve o maior número possível de pares de bases ligadas por ligações de hidrogénio sendo, além disso, os pares formados, aqueles que permitem maior ajuste e estabilidade.
A dupla hélice é estabilizada não só pelas ligações de hidrogénio entre os pares de bases complementares como também por interacções de van der Waals entre as bases empilhadas.
Na sua superfície exterior a dupla hélice contém dois sulcos profundos entre as ligações ribose - fosfato das cadeias. Estes dois sulcos apresentam
Adenina (A) Timina (T) Guanina (G) Citosina (C)
DNA – Constituintes e estruturas
147 tamanhos diferentes e são denominados por sulco maior (major groove) e sulco menor (minor groove). A diferença de tamanhos está relacionada com a assimetria existente nos anéis do açúcar e com a diferença estrutural existente entre as superfícies superior e inferior dos diferentes pares de bases.
A interacção de ligandos com o ADN é fundamental para muitos processos intracelulares8 e tem sido objecto de intenso estudo desde meados do século passado. As características estruturais únicas das bases ao longo da hélice pentose-fosfato devidas ao empilhamento, relativamente planar, fazem do ADN uma estrutura única e são muito importantes em várias áreas científicas nomeadamente no desenvolvimento de novos fármacos.9
Devido à complexidade da estrutura da dupla hélice de ADN, já anteriormente referida quando esta interage com outras moléculas ou iões, para além de ligações covalentes, vários outros tipos de ligação podem ser formados. Os tipos de ligações não-covalentes que podem ocorrer são: intercalação entre os pares de bases10, bis-intercalação, ligação no sulco menor (minor groove binding), ligações no sulco maior (major groove binding), ligação externa com ou sem auto- empilhamento (self-stacking) e combinações destes.11,12
A intercalação é caracterizada pelo empilhamento não-covalente entre pares de bases adjacentes, por interacção com as orbitais π desses pares de bases, muitas vezes em combinação com ligações de hidrogénio.
Os intercaladores constituem uma importante classe de compostos que interagem com o ADN, e são compostos aromáticos heterocíclicos de várias classes. A figura 64 mostra a estrutura de alguns desses compostos.
Os ligantes no sulco menor (minor groove binders) geralmente estabelecem as suas interacções através de vários tipos de interacções não- covalentes: ligações de van der Waals, ligações de hidrogénio e interacções electrostáticas em zonas ricas em pares AT do ADN. No entanto, a ocorrência de ligações no sulco menor ocorre, na maior parte das vezes, através de ligações de hidrogénio entre os heteroátomos das bases adenina e timina e átomos específicos dos ligantes no sulco menor. Os ligantes no sulco maior (major groove binders) caracterizam-se pelo estabelecimento de interacções electrostáticas. Muitas proteínas e também alguns fármacos ligam-se no sulco maior do ADN.13
DNA – Constituintes e estruturas
148
Figura 64 - Estrutura de alguns intercaladores
Brometo de Etídio Daunomicina R=H; Adrimicina R= OH
DNA – Constituintes e estruturas
149