Em formação

7.3A: Noções básicas de replicação de DNA - Biologia


A replicação do DNA usa um método semiconservador que resulta em um DNA de fita dupla com uma fita parental e uma nova filha.

OBJETIVOS DE APRENDIZADO

Explique como o experimento de Meselson e Stahl estabeleceu conclusivamente que a replicação do DNA é semiconservadora.

Pontos chave

  • Havia três modelos sugeridos para a replicação do DNA: conservador, semiconservador e dispersivo.
  • O método conservador de replicação sugere que o DNA parental permanece junto e as fitas filhas recém-formadas também estão juntas.
  • O método semiconservador de replicação sugere que as duas fitas de DNA parental servem como molde para o novo DNA e, após a replicação, cada DNA de fita dupla contém uma fita do DNA parental e uma nova fita (filha).
  • O método dispersivo de replicação sugere que, após a replicação, os dois DNAs filhos têm segmentos alternados de DNA parental e recém-sintetizado intercalados em ambas as fitas.
  • Meselson e Stahl, usando E. coli DNA feito com dois istopos de nitrogênio (14N e 15N) e centrifugação em gradiente de densidade, determinou que o DNA se replicou por meio do método semiconservador de replicação.

Termos chave

  • Replicação de DNA: um processo biológico que ocorre em todos os organismos vivos que é a base para a herança biológica
  • isótopo: qualquer uma das duas ou mais formas de um elemento em que os átomos têm o mesmo número de prótons, mas um número diferente de nêutrons dentro de seus núcleos

Noções básicas de replicação de DNA

A descoberta de Watson e Crick de que o DNA era uma dupla hélice de duas fitas deu uma dica de como o DNA é replicado. Durante a divisão celular, cada molécula de DNA deve ser copiada perfeitamente para garantir que moléculas de DNA idênticas se movam para cada uma das duas células-filhas. A estrutura de fita dupla do DNA sugere que as duas fitas podem se separar durante a replicação, com cada fita servindo como um modelo a partir do qual a nova fita complementar para cada uma é copiada, gerando duas moléculas de fita dupla a partir de uma.

Modelos de Replicação

Havia três modelos de replicação possíveis a partir de tal esquema: conservador, semiconservador e dispersivo. Na replicação conservadora, as duas fitas originais de DNA, conhecidas como fitas parentais, se re-estabeleceriam uma nova relação de base após serem usadas como modelos para sintetizar novas fitas; e as duas fitas recém-sintetizadas, conhecidas como fitas filhas, também formariam pares de base uma com a outra; uma das duas moléculas de DNA após a replicação seria “totalmente velha” e a outra seria “totalmente nova”. Na replicação semiconservativa, cada uma das duas fitas de DNA parental atuaria como um modelo para novas fitas de DNA a serem sintetizadas, mas após a replicação, cada fita de DNA parental seria um par de base com a fita complementar recém-sintetizada recém-sintetizada, e ambas DNAs de fita incluiriam uma fita parental ou “velha” e uma filha ou fita “nova”. Na replicação dispersiva, após a replicação, ambas as cópias dos novos DNAs teriam de alguma forma segmentos alternados de DNA parental e DNA recém-sintetizado em cada uma de suas duas fitas.

Para determinar qual modelo de replicação era preciso, um experimento seminal foi realizado em 1958 por dois pesquisadores: Matthew Meselson e Franklin Stahl.

Meselson e Stahl

Meselson e Stahl estavam interessados ​​em entender como o DNA se replica. Eles cresceram E. coli por várias gerações em um meio contendo um isótopo "pesado" de nitrogênio (15N) que é incorporado às bases nitrogenadas e, eventualmente, ao DNA. o E. colia cultura foi então transferida para um meio contendo o isótopo "leve" comum de nitrogênio (14N) e pode crescer por uma geração. As células foram colhidas e o DNA foi isolado. O DNA foi centrifugado em alta velocidade em uma ultracentrífuga em um tubo no qual um gradiente de densidade de cloreto de césio havia sido estabelecido. Algumas células puderam crescer por mais um ciclo de vida em 14N e girou novamente.

Durante a ultracentrifugação de gradiente de densidade, o DNA foi carregado em um gradiente (Meselson e Stahl usaram um gradiente de sal de cloreto de césio, embora outros materiais como a sacarose também possam ser usados ​​para criar um gradiente) e girado em altas velocidades de 50.000 a 60.000 rpm . No tubo de ultracentrífuga, o sal de cloreto de césio criou um gradiente de densidade, com a solução de cloreto de césio sendo mais densa quanto mais fundo no tubo você desceu. Nessas circunstâncias, durante a rotação, o DNA foi puxado para baixo no tubo de ultracentrífuga pela força centrífuga até chegar ao ponto no gradiente de sal onde a densidade das moléculas de DNA correspondia à da solução de sal circundante. Nesse ponto, as moléculas pararam de sedimentar e formaram uma banda estável. Observando as posições relativas das bandas de moléculas que correm nos mesmos gradientes, você pode determinar as densidades relativas de diferentes moléculas. As moléculas que formam as bandas mais baixas têm as densidades mais altas.

DNA de células cultivadas exclusivamente em 15N produziu uma banda mais baixa do que o DNA de células cultivadas exclusivamente em 14N. Então, o DNA cresceu em 15N tinha uma densidade maior, como seria de se esperar de uma molécula com um isótopo mais pesado de nitrogênio incorporado em suas bases nitrogenadas. Meselson e Stahl observaram que após uma geração de crescimento em 14N (depois que as células foram deslocadas de 15N), as moléculas de DNA produziram apenas um intermediário de banda única em posição entre o DNA de células cultivadas exclusivamente em 15N e DNA de células cultivadas exclusivamente em 14N. Isso sugeriu um modo semi-conservativo ou dispersivo de replicação. A replicação conservadora teria resultado em duas bandas; um que representa o DNA parental ainda com exclusivamente 15N em suas bases nitrogenadas e o outro representando o DNA filho com exclusividade 14N em suas bases nitrogenadas. A única banda realmente vista indicava que todas as moléculas de DNA continham quantidades iguais de ambos 15N e 14N.

O DNA colhido de células cultivadas por duas gerações em 14N formou duas bandas: uma banda de DNA estava na posição intermediária entre 15N e 14N e o outro correspondiam à faixa de exclusivamente 14N DNA. Esses resultados só poderiam ser explicados se o DNA se replicasse de maneira semiconservadora. A replicação dispersiva teria resultado exclusivamente em uma única banda em cada nova geração, com a banda movendo-se lentamente para mais perto da altura do 14Banda de DNA N. Portanto, a replicação dispersiva também pode ser descartada.

Os resultados de Meselson e Stahl estabeleceram que, durante a replicação do DNA, cada uma das duas fitas que compõem a dupla hélice serve como um modelo a partir do qual novas fitas são sintetizadas. A nova vertente será complementar à vertente parental ou “antiga” e a nova vertente permanecerá emparelhada com a vertente antiga. Portanto, cada DNA “filha” consiste, na verdade, em uma fita de DNA “velha” e uma fita recém-sintetizada. Quando duas cópias de DNA filho são formadas, elas têm as sequências idênticas entre si e sequências idênticas ao DNA parental original, e os dois DNAs filhos são divididos igualmente nas duas células filhas, produzindo células filhas que são geneticamente idênticas entre si e geneticamente idêntica à célula-mãe.


Existem três esquemas possíveis de replicação do DNA.

propôs 3 modelos de replicação de DNA

1- Replicação semiconservativa

& # 8220 Esquema de replicação no qual é proposto que ambas as fitas de DNA se desenrolam e cada fita individual atua como um modelo para a síntese, outra fita complementar é chamada de replicação semiconservativa. Este é o esquema de replicação de DNA mais aceito & # 8221

De acordo com este esquema, a integridade de cada fita é preservada, mas as ligações de hidrogênio entre as fitas se rompem, permitindo que as duas fitas-mãe se separem e participem da formação de suas respectivas fitas complementares. Quando a replicação termina, duas moléculas de DNA filhas são formadas, que são idênticas entre si e são uma fotocópia da molécula de DNA original. Uma fita em cada molécula de DNA filha é um molde intacto (parental) e a outra é uma fita de DNA recém-replicada intacta.

2- Replicação conservadora

É um método alternativo de replicação. De acordo com este modelo, a dupla hélice original da molécula de DNA parental é conservada. Duas fitas de uma dupla hélice de DNA permanecem unidas uma à outra e as cadeias individuais permanecem intactas. As ligações de hidrogênio entre as fitas de DNA permanecem estáveis ​​e a dupla hélice parental original atua como um modelo para a formação de uma molécula filha de DNA inteiramente nova, na qual todas as subunidades de nucleotídeos são inteiramente novas.

3- Replicação Dispersiva

Neste esquema de replicação, duas fitas da molécula de DNA parental se desintegram totalmente. Não apenas as ligações de hidrogênio entre duas fitas quebram e separam duas fitas, mas também a ligação fosfodiéster entre os nucleotídeos de cada quebra da fita e os nucleotídeos individuais se dispersam no meio. A partir de nucleotídeos parentais e novos precursores, duas moléculas filhas de DNA são formadas. A molécula filha consiste na parte da fita parental modelo e na parte do DNA recém-sintetizado.

PROCEDIMENTO DE REPLICAÇÃO DE DNA

A replicação do DNA é semi-conservadora. Antes do modelo de Watson e Crick, acreditava-se que a molécula de DNA passava por autoduplicação ou replicação, mas o procedimento exato não era conhecido. O modelo de Watson e Crick & # 8217s forneceu uma base para o procedimento de replicação. Watson e Crick propõem um possível mecanismo de replicação do DNA. A sugestão foi baseada no princípio da complementaridade.

modelo semiconservador de replicação de DNA

Etapas de replicação semiconservadora

  1. Como a primeira etapa da replicação, as ligações de hidrogênio entre os baixos de nitrogênio de duas fitas complementares da molécula de DNA se desintegram e duas fitas se separam uma da outra. A enzima DNA Helicase desenrola as fitas de DNA e dissolve as ligações de hidrogênio.
  2. Cada fio mantém sua integridade e não se decompõe mais.
  3. Cada fio atua como um modelo (um guia ou planta) ou padrão para a formação de um novo fio, que é complementar a ele.
  4. As fitas complementares para cada fita modelo parental são sintetizadas a partir de novas moléculas precursoras no meio.
  5. À medida que a espinha dorsal de açúcar-fosfato de uma nova fita é montada, os baixos de nitrogênio na fita parental original atraem a complementar. por exemplo. T na fita original atrairá uma base de nitrogênio para ser anexada à fita recém-montada e ligações de hidrogênio entre essas duas são formadas.
  6. Essa atração complementar por bases no filamento parental original resulta na formação de dois novos filamentos, cada um complementar aos antigos originais.
  7. Todo esse processo de replicação é realizado por uma enzima DNA polimerase.

Perguntas frequentes sobre a replicação do DNA

1- O que faz com que o DNA se replique? ou Como o DNA aprendeu a se replicar?

O DNA não vive em si, nem tem controle consciente sobre sua multiplicação dentro da célula. Ele pode ser replicado em um laboratório, mas dentro da célula, deve receber mensagens da célula na forma de várias proteínas que o estimulam a se replicar. A replicação do DNA ocorre durante a fase S da interfase e empurra ainda mais a célula para a divisão celular (fase mitótica). Dezenas de enzimas e cofatores, agindo precisamente em uma quantidade exata, desempenham papéis muito específicos para iniciar o processo de replicação.

2- Como funciona a replicação do DNA?

& # 8220 Replicação de DNA é o processo de produção de duas cópias idênticas de DNA de uma molécula de DNA parental & # 8221

O DNA é composto por uma dupla hélice de duas fitas complementares. Essas fitas são separadas, durante a replicação. Cada fita da molécula de DNA original serve como um modelo para a produção de sua fita complementar, um processo chamado replicação semiconservativa.

3- Quais são as enzimas envolvidas na replicação do DNA?

A replicação do DNA é realizada por várias enzimas listadas abaixo, juntamente com seu papel.

  1. DNA POLIMERASE: Esta enzima realiza o processo de replicação do DNA em todos os organismos. Catalisa a replicação do DNA na direção de 5 ′ a 3 ′.
  2. TOPOISOMERASE: Esta enzima realiza o overwinding ou underwinding do DNA.
  3. HELICASE: Estes são usados ​​para separar as fitas de uma dupla hélice de DNA usando a energia da hidrólise do ATP.
  4. DNA GYRASE: É um tipo específico de topoisomerase que alivia a tensão de desenrolamento pela DNA helicase.
  5. DNA LIGASE Ele recozia as fitas semiconservadoras e se junta ao OKAZAKI FRAGMENT da fita de DNA atrasada.
  6. PRIMASE: Ele catalisa a síntese de um segmento curto de RNA chamado de & # 8220primer & # 8221 complementar a um modelo de ssDNA.

4- Qual é o modelo trombone de replicação do DNA?

Modelo de trombone de replicação de DNA em células eucarióticas

Durante este tipo de replicação de DNA, o DNA de fita dupla se abre em um & # 8216liderando & # 8217 e & # 8216lagging & # 8217 vertente. A vertente principal é complementada pelo emparelhamento de bases usual. No entanto, na fita retardada, os primers de RNA são ligados para iniciar a união de desoxirribonucleotídeos de DNA complementares na direção 3 & # 8242-5 & # 8217, portanto, formam fragmentos de Okazaki. Mais tarde, os primers de RNA são substituídos por DNA.

Assim, a replicação do DNA ocorre dentro de uma estrutura semelhante a uma bifurcação, na qual a fita atrasada dá voltas em uma proposta “Modelo de trombone” para orientar as enzimas de replicação para síntese e junção repetidas. Considera-se que esse mecanismo ajuda a manter a integridade do DNA durante os ciclos de replicação.

5- Qual é o modelo teta de replicação do DNA?

Modelo Theta de replicação de DNA

O modo teta é adotado pelos procariontes para replicar seu DNA. Seu DNA circular tem apenas um único ponto de origem para replicação, ao contrário do DNA eucariótico, que possui vários pontos de origem para tornar o processo mais rápido.

A ação da enzima helicase literalmente descompacta as fitas do DNA parental, quebrando as ligações. Em seguida, a enzima DNA polimerase entra em ação e começa a replicação na direção 5 ′ para 3 ′. Uma vez que a replicação é feita, a enzima ligase une as pontas soltas e, assim, duas fitas filhas de DNA são formadas.

Como durante a ação da enzima helicase, o DNA circular forma o símbolo grego 'θ' como estrutura, este modelo é denominado modelo teta de replicação de DNA.


7.3A: Noções básicas de replicação de DNA - Biologia

Nesta seção, você explorará as seguintes questões:

  • Como a estrutura do DNA fornece o processo de replicação?
  • Como os experimentos de Meselson e Stahl apoiaram a natureza semiconservadora da replicação?

Conexão para Cursos AP ®

O modelo de Watson e Crick sugeriu uma maneira pela qual o DNA poderia ser replicado durante a divisão celular. Basicamente, as duas fitas se desenrolam e se separam onde as ligações de hidrogênio conectam os nucleotídeos. Cada filamento parental serve então como modelo para um filamento filho novo e complementar. A replicação é considerada semiconservadora porque a informação original codificada em cada fita parental é conservada (mantida) nas moléculas filhas. Assim, uma molécula de DNA recém-replicada consiste em uma fita “velha” e uma fita “nova”. Meselson e Stahl usaram diferenças de densidade em isótopos de nitrogênio para investigar a replicação, e seus experimentos apoiaram o modelo semiconservador. No entanto, o processo de replicação é mais complexo do que a descrição simples de seu modelo.

As informações apresentadas e os exemplos destacados na seção apoiam os conceitos descritos na Grande Ideia 3 e na Grande Ideia 4 do AP ® Biology Curriculum Framework. Os Objetivos de Aprendizagem listados na Estrutura do Currículo fornecem uma base transparente para o curso AP ® Biologia, uma experiência laboratorial baseada em investigação, atividades instrucionais e questões do exame AP ®. Um objetivo de aprendizagem mescla o conteúdo necessário com uma ou mais das sete práticas científicas.

Grande Ideia 3 Os sistemas vivos armazenam, recuperam, transmitem e respondem às informações essenciais aos processos vitais.
Compreensão Duradoura 3.A As informações herdáveis ​​proporcionam a continuidade da vida.
Conhecimento Essencial 3.A.1 O DNA e, em alguns casos, o RNA, é a fonte primária de informações hereditárias.
Prática de Ciências 1.2 O aluno pode descrever representações e modelos de fenômenos naturais ou feitos pelo homem e sistemas no domínio.
Objetivo do aprendizado 3.3 O aluno é capaz de descrever representações e modelos que ilustram como a informação genética é copiada para transmissão entre gerações.

As Questões do Desafio da Prática de Ciências contêm questões de teste adicionais para esta seção que o ajudarão a se preparar para o exame AP. Essas questões abordam os seguintes padrões:
[APLO 2.34] [APLO 3.3] [APLO 4.1]

A elucidação da estrutura da dupla hélice forneceu uma dica de como o DNA se divide e faz cópias de si mesmo. Este modelo sugere que as duas fitas da dupla hélice se separam durante a replicação, e cada fita serve como um modelo a partir do qual a nova fita complementar é copiada. O que não ficou claro foi como a replicação ocorreu. Três modelos foram sugeridos (Figura 14.12): conservador, semiconservador e dispersivo.

Na replicação conservadora, o DNA parental permanece junto e as fitas filhas recém-formadas ficam juntas. O método semiconservador sugere que cada uma das duas fitas de DNA parental atuem como um modelo para o novo DNA a ser sintetizado após a replicação, cada DNA de fita dupla inclui uma fita parental ou "velha" e uma "nova" fita. No modelo dispersivo, ambas as cópias do DNA têm segmentos de fita dupla de DNA parental e DNA recém-sintetizado intercalados.

Meselson e Stahl estavam interessados ​​em entender como o DNA se replica. Eles cresceram E. coli por várias gerações em um meio contendo um isótopo “pesado” de nitrogênio (15 N) que é incorporado às bases nitrogenadas e, eventualmente, ao DNA (Figura 14.13).

o E. coli a cultura foi então transferida para meio contendo 14 N e deixada crescer por uma geração. As células foram colhidas e o DNA foi isolado. O DNA foi centrifugado em alta velocidade em uma ultracentrífuga. Algumas células puderam crescer por mais um ciclo de vida em 14 N e giraram novamente. Durante a centrifugação em gradiente de densidade, o DNA é carregado em um gradiente (normalmente um sal, como cloreto de césio ou sacarose) e girado em altas velocidades de 50.000 a 60.000 rpm. Nessas circunstâncias, o DNA formará uma faixa de acordo com sua densidade no gradiente. O DNA cultivado em 15 N se agrupará em uma posição de densidade mais alta do que aquele cultivado em 14 N. Meselson e Stahl notaram que após uma geração de crescimento em 14 N após terem sido deslocados de 15 N, a banda única observada era intermediária na posição em entre DNA de células cultivadas exclusivamente em 15 N e 14 N. Isso sugere um modo de replicação semiconservativo ou dispersivo. O DNA colhido de células cultivadas por duas gerações em 14 N formou duas bandas: uma banda de DNA estava na posição intermediária entre 15 N e 14 N, e a outra correspondia à banda de 14 N de DNA. Esses resultados só poderiam ser explicados se o DNA se replicasse de maneira semiconservadora. Portanto, os outros dois modos foram excluídos.

Durante a replicação do DNA, cada uma das duas fitas que compõem a dupla hélice serve como um modelo a partir do qual as novas fitas são copiadas. A nova vertente será complementar à vertente parental ou “antiga”. Quando duas cópias filhas de DNA são formadas, elas têm a mesma sequência e são divididas igualmente nas duas células filhas.

LINK PARA APRENDIZAGEM

Clique neste tutorial sobre a replicação do DNA.

  1. O envelhecimento causa o acúmulo de mutações no DNA e danos ao DNA apenas do DNA nuclear e os erros serão transmitidos a novas células, causando doenças relacionadas à idade.
  2. O envelhecimento resulta em um mecanismo de reparo do DNA ineficaz, de modo que os erros no DNA são transmitidos a novas células. Isso pode levar ao desenvolvimento de doenças relacionadas à idade.
  3. O envelhecimento faz com que a DNA polimerase funcione de maneira anormal. Esta é a única razão que causa defeitos na replicação do DNA.
  4. A replicação do DNA apenas de células de crescimento rápido é afetada pelo envelhecimento.

CONEXÃO DE PRÁTICAS CIENTÍFICAS PARA CURSOS AP®

ATIVIDADE

Projete (mas não implemente) um experimento para testar os três modelos de replicação do DNA. Resuma os resultados que você esperaria se cada um dos três modelos de replicação do DNA estivesse correto. Suponha que você tenha acesso em um laboratório ao seguinte: um organismo experimental, como E. coli, uma variedade ilimitada de isótopos, tubos de ensaio e centrífugas e meios de crescimento orgânico.


7.3A: Noções básicas de replicação de DNA - Biologia

Esta página dá uma olhada muito simplificada em como o DNA se replica (copia) a si mesmo. Oferece apenas uma visão geral do processo, sem nenhuma tentativa de descrever o mecanismo. Como tal, é adequado apenas para jovens de 16 a 18 anos química alunos. Se você estiver fazendo biologia ou bioquímica, precisará de mais detalhes do que esta página cobre.

Observação: Se você veio direto de um mecanismo de busca para esta página, deve estar ciente de que esta é a segunda página de uma sequência de páginas sobre DNA. A menos que você já entenda a estrutura do DNA, siga este link para ler essa página primeiro.

Se você precisar de informações detalhadas sobre a replicação do DNA, uma busca no Google por Replicação de DNA o levará a algumas animações bem pensadas e muito claras do processo. O melhor para começar pode ser encontrado neste link. Este segundo link talvez forneça uma visão melhor do processo geral, mas é mais difícil de entender se você não examinar o outro primeiro. Se você for um estudante de química de nível A (ou equivalente), só olhe para eles se estiver interessado, não porque provavelmente precisará deles para fins de exame.

Ambos os links envolvem animações em Flash. Infelizmente, alguns dispositivos como o iPad não suportam Flash e você não poderá assistir a essas animações neles. Não há outra maneira de contornar isso além de usar um computador padrão.

Tenho um pouco de receio de sugerir links para outros sites, porque esses sites podem mudar. Se você achar que algum desses links não funciona (além de problemas com o Flash), envie-me um e-mail através do endereço na página sobre este site.

Replicação semiconservativa

Uma visão muito simples do processo

Explicaremos exatamente o que & quotsemi-conservador & quot significa quando tivermos alguns diagramas para examinar. Primeiro imagine o que aconteceria se as duas fitas individuais na dupla hélice do DNA começassem a se descompactar.

O diagrama mostra isso acontecendo no meio da dupla hélice de DNA - você não deve presumir que o topo do diagrama é o fim da cadeia. Não é. Mais acima na dupla hélice, os dois fios ainda estarão unidos.

Na verdade, isso está acontecendo muitas vezes ao longo da molécula de DNA muito longa. Os comprimentos da cadeia são separados para formar o que é conhecido como & quotbolhas & quot. Se você sentir necessidade de ver isso com mais detalhes, leia o restante desta página e, em seguida, dê uma olhada rápida nos links acima.

Algumas das ligações de hidrogênio são quebradas e as duas fitas ficam parcialmente separadas.

As linhas vermelhas pontilhadas no diagrama apenas apontam os pares de bases originais. Estes são não títulos de qualquer forma. Esses pares de bases agora estão muito distantes um do outro para qualquer tipo de ligação entre eles.

Agora suponha que você tenha uma fonte de nucleotídeos - fosfato unido à desoxirribose unida a uma base, incluindo todos os quatro tipos de bases necessárias para o DNA.

O diagrama a seguir mostra o que aconteceria se um nucleotídeo contendo guanina (G) e um contendo citosina (C) fossem atraídos para as duas bases superiores na fita esquerda do DNA descompactado - e então unidos.

Como eles acabaram unidos? Tudo isso está sob o controle de várias enzimas, uma das quais (DNA polimerase) é responsável por unir nucleotídeos ao longo da cadeia dessa maneira.

Agora, suponha que o mesmo tipo de coisa acontecesse no topo da mecha do lado direito. Você acabaria com. . .

Agora compare os fios duplos que você está formando nos lados esquerdo e direito. Eles são exatamente os mesmos . . . e se você continuasse com esse processo, eles continuariam os mesmos.

E se você comparar os padrões de bases no novo DNA sendo formado com o que estava no DNA original antes de começar a descompactar, tudo é o mesmo. Isso é inevitável devido à forma como as bases se emparelham.

O que semi-conservador replicação significa?

Vamos simplificar o último diagrama e assumir que todo o processo de cópia está completo. O próximo diagrama concentra-se na pequena parte da molécula de DNA total que estivemos examinando. Uma típica molécula de DNA humano tem cerca de 150 milhões de pares de bases - você terá que imaginar o resto!

Você também deve lembrar que, na realidade, a coisa toda teria se enrolado em sua dupla hélice. Tentar desenhar isso faz tudo parecer confuso e complicado!

O DNA original é mostrado todo em azul. As fitas vermelhas no DNA filho são aquelas que foram construídas nas fitas azuis originais durante o processo de replicação.

Você pode ver que cada uma das moléculas filhas é feita de metade do DNA original mais uma nova fita. Isso é tudo que significa "replicação quotsemi-conservativa". Metade do DNA original é conservado (mantido) em cada uma das moléculas filhas.

O vermelho e o azul, é claro, não têm significado físico, exceto como uma forma de tornar os diagramas mais claros. Todas as três moléculas de DNA serão idênticas em todos os sentidos.

Perguntas para testar sua compreensão

Se este for o primeiro conjunto de perguntas que você fez, leia a página introdutória antes de começar. Você precisará usar o BOTÃO VOLTAR do seu navegador para voltar aqui depois.


Noções básicas de replicação de DNA

A elucidação da estrutura da dupla hélice forneceu uma dica de como o DNA se divide e faz cópias de si mesmo. Este modelo sugere que as duas fitas da dupla hélice se separam durante a replicação, e cada fita serve como um modelo a partir do qual a nova fita complementar é copiada. O que não ficou claro foi como a replicação ocorreu. Foram sugeridos três modelos (Figura): conservador, semiconservador e dispersivo.

Os três modelos sugeridos de replicação de DNA. Cinza indica as fitas originais do DNA e azul indica DNA recém-sintetizado.

Na replicação conservadora, o DNA parental permanece junto e as fitas filhas recém-formadas ficam juntas. O método semiconservador sugere que cada uma das duas fitas de DNA parental atua como um modelo para o novo DNA a ser sintetizado após a replicação, cada DNA de fita dupla inclui uma fita parental ou "velha" e uma fita "nova". No modelo dispersivo, ambas as cópias do DNA têm segmentos de fita dupla de DNA parental e DNA recém-sintetizado intercalados.

Meselson e Stahl estavam interessados ​​em entender como o DNA se replica. Eles cresceram E. coli por várias gerações em um meio contendo um isótopo “pesado” de nitrogênio (15 N) que é incorporado em bases nitrogenadas e, eventualmente, no DNA (Figura).

Meselson e Stahl experimentaram E. coli cultivado primeiro em nitrogênio pesado (15 N) e depois em 14 N. O DNA cultivado em 15 N (banda vermelha) é mais pesado do que o DNA cultivado em 14 N (banda laranja) e sedimenta a um nível inferior em solução de cloreto de césio em uma ultracentrífuga. Quando o DNA cultivado em 15 N é trocado para meio contendo 14 N, após uma rodada de divisão celular, o DNA sedimenta a meio caminho entre os níveis de 15 N e 14 N, indicando que agora contém cinquenta por cento de 14 N. Em divisões celulares subsequentes, um aumento quantidade de DNA contém 14 N apenas. Esses dados suportam o modelo de replicação semiconservador. (crédito: modificação da obra de Mariana Ruiz Villareal)

o E. coli a cultura foi então transferida para meio contendo 14 N e deixada crescer por uma geração. As células foram colhidas e o DNA foi isolado. O DNA foi centrifugado em alta velocidade em uma ultracentrífuga. Algumas células puderam crescer por mais um ciclo de vida em 14 N e giraram novamente. Durante a centrifugação em gradiente de densidade, o DNA é carregado em um gradiente (normalmente um sal, como cloreto de césio ou sacarose) e girado em altas velocidades de 50.000 a 60.000 rpm. Nessas circunstâncias, o DNA formará uma faixa de acordo com sua densidade no gradiente. O DNA cultivado em 15 N se agrupará em uma posição de densidade mais alta do que aquele cultivado em 14 N. Meselson e Stahl notaram que após uma geração de crescimento em 14 N após terem sido deslocados de 15 N, a banda única observada era intermediária na posição em entre DNA de células cultivadas exclusivamente em 15 N e 14 N. Isso sugere um modo de replicação semiconservativo ou dispersivo. O DNA colhido de células cultivadas por duas gerações em 14 N formou duas bandas: uma banda de DNA estava na posição intermediária entre 15 N e 14 N, e a outra correspondia à banda de 14 N de DNA. Esses resultados só poderiam ser explicados se o DNA se replicasse de maneira semiconservadora. Portanto, os outros dois modos foram excluídos.

Durante a replicação do DNA, cada uma das duas fitas que compõem a dupla hélice serve como um modelo a partir do qual as novas fitas são copiadas. A nova vertente será complementar à vertente parental ou “antiga”. Quando duas cópias filhas de DNA são formadas, elas têm a mesma sequência e são divididas igualmente nas duas células filhas.


Conexão para Cursos AP ®

O modelo de Watson e Crick sugeriu uma maneira pela qual o DNA poderia ser replicado durante a divisão celular. Basicamente, as duas fitas se desenrolam e se separam onde as ligações de hidrogênio conectam os nucleotídeos. Cada filamento parental serve então como modelo para um filamento filho novo e complementar. A replicação é considerada semiconservadora porque a informação original codificada em cada fita parental é conservada, ou mantida, nas moléculas filhas. Assim, uma molécula de DNA recém-replicada consiste em um velho vertente e um novo vertente. Meselson e Stahl usaram diferenças de densidade em isótopos de nitrogênio para investigar a replicação, e seus experimentos apoiaram o modelo semiconservador. No entanto, o processo de replicação é mais complexo do que a descrição simples de seu modelo.

As informações apresentadas e os exemplos destacados na seção apoiam os conceitos descritos na Grande Ideia 3 e na Grande Ideia 4 do AP ® Biology Curriculum Framework. Os Objetivos de Aprendizagem listados na Estrutura do Currículo fornecem uma base transparente para o curso AP ® Biologia, uma experiência laboratorial baseada em investigação, atividades instrucionais e questões do exame AP ®. Um objetivo de aprendizagem mescla o conteúdo necessário com uma ou mais das sete práticas científicas.

Grande Ideia 3 Os sistemas vivos armazenam, recuperam, transmitem e respondem às informações essenciais aos processos vitais.
Compreensão Duradoura 3.A As informações herdáveis ​​proporcionam a continuidade da vida.
Conhecimento Essencial 3.A.1 O DNA e, em alguns casos, o RNA, é a fonte primária de informações hereditárias.
Prática de Ciências 1.2 O aluno pode descrever representações e modelos de fenômenos naturais ou feitos pelo homem e sistemas no domínio.
Objetivo do aprendizado 3.3 O aluno é capaz de descrever representações e modelos que ilustram como a informação genética é copiada para transmissão entre gerações.

O Auxiliar de Avaliação de Práticas Científicas contém perguntas de teste adicionais para esta seção que o ajudarão a se preparar para o exame AP. Essas questões abordam os seguintes padrões:

A elucidação da estrutura da dupla hélice forneceu uma dica de como o DNA se divide e faz cópias de si mesmo. Este modelo sugere que as duas fitas da dupla hélice se separam durante a replicação, e cada fita serve como um modelo a partir do qual a nova fita complementar é copiada. O que não ficou claro foi como a replicação ocorreu. Três modelos foram sugeridos (Figura 14.12): conservador, semiconservador e dispersivo.

Na replicação conservadora, o DNA parental permanece junto e as fitas filhas recém-formadas ficam juntas. O método semiconservador sugere que cada uma das duas fitas de DNA parental atue como um modelo para o novo DNA a ser sintetizado após a replicação, cada DNA de fita dupla inclui um parental ou velho vertente e um novo vertente. No modelo dispersivo, ambas as cópias de DNA têm segmentos de fita dupla de DNA parental e DNA recém-sintetizado intercalados.

Meselson e Stahl estavam interessados ​​em entender como o DNA se replica. Eles cresceram E. coli por várias gerações em um meio contendo um pesado isotope of nitrogen ( 15 N) that gets incorporated into nitrogenous bases, and eventually into the DNA (Figure 14.13).

o E. coli culture was then shifted into a medium containing 14 N and allowed to grow for one generation. The cells were harvested and the DNA was isolated. The DNA was centrifuged at high speeds in an ultracentrifuge. Some cells were allowed to grow for one more life cycle in 14 N and spun again. During the density gradient centrifugation, the DNA is loaded into a gradient, which is typically salt such as cesium chloride or sucrose, and spun at high speeds of 50,000 to 60,000 rpm. Under these circumstances, the DNA will form a band according to its density in the gradient. DNA grown in 15 N will band at a higher density position than that grown in 14 N. Meselson and Stahl noted that after one generation of growth in 14 N after they had been shifted from 15 N, the single band observed was intermediate in position in between DNA of cells grown exclusively in 15 N and 14 N. This suggested either a semi-conservative or dispersive mode of replication. The DNA harvested from cells grown for two generations in 14 N formed two bands: one DNA band was at the intermediate position between 15 N and 14 N, and the other corresponded to the band of 14 N DNA. These results could only be explained if DNA replicates in a semi-conservative manner. Therefore, the other two modes were ruled out.

During DNA replication, each of the two strands that make up the double helix serves as a template from which new strands are copied. The new strand will be complementary to the parental or velho vertente. When two daughter DNA copies are formed, they have the same sequence and are divided equally into the two daughter cells.

Link para aprendizagem

Click through this tutorial on DNA replication.

One theory of aging is that the body’s ability to fix mistakes in its DNA decreases as we age. How can this affect DNA replication?

  1. Aging causes accumulation of DNA mutations and DNA damage of only the nuclear DNA and the mistakes will be passed down to new cells causing age related diseases.
  2. Aging results in ineffective DNA repair mechanism so that the mistakes in the DNA will be passed down to new cells. This could lead to the development of age-related diseases.
  3. Aging causes DNA polymerase to function abnormally. This is the sole reason which causes defects in DNA replication.
  4. DNA replication of only fast-growing cells is affected by aging.

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Atividade

Design (but do not implement) an experiment to test the three models of DNA replication. Summarize the results you would expect if each of the three models of DNA replication were correct. Assume you have access in a laboratory to the following: an experimental organism such as E. coli an unlimited variety of isotopes, test tubes and centrifuges and organic growth media.


Virus DNA Replication and the Host DNA Damage Response

Viral DNA genomes have limited coding capacity and therefore harness cellular factors to facilitate replication of their genomes and generate progeny virions. Studies of viruses and how they interact with cellular processes have historically provided seminal insights into basic biology and disease mechanisms. The replicative life cycles of many DNA viruses have been shown to engage components of the host DNA damage and repair machinery. Viruses have evolved numerous strategies to navigate the cellular DNA damage response. By hijacking and manipulating cellular replication and repair processes, DNA viruses can selectively harness or abrogate distinct components of the cellular machinery to complete their life cycles. Here, we highlight consequences for viral replication and host genome integrity during the dynamic interactions between virus and host.

Palavras-chave: DNA damage response chromatin state viral genome virus replication virus replication compartments.

Bonecos

DNA damage responses to double-strand…

DNA damage responses to double-strand breaks (DSBs) and single-stranded DNA (ssDNA). ( Middle…

DNA repair pathways—a toolkit for…

DNA repair pathways—a toolkit for viral replication. (uma) Classical nonhomologous end joining occurs…


6 Basic Rules for DNA Replication | Genética

In this article we will discuss about the six basic rules for DNA replication. The rules are: 1. Replication is a Semi-conservative Process 2. Replication has Direction 3. Replication Starts off a Unique Point on Bacterial and Viral Chromosomes 4. Replication of Both Strands Proceeds by the Addition of Nucleotide Monomers in the 5′-3′ Direction and Others.

Rule # 1. Replication is a Semi-Conservative Process:

Each strand of the parental DNA duplex is conserved and copied by base-pairing with matching nucleotides and the result is two duplexes identical to the parental one. Base pairing and chain extension create a growing point, or fork, at which the parental duplex is unwound.

Rule # 2. Replication has Direction:

Replication proceeds from a given point on the chromosome either in one or in both directions. Bi-directional movement involving two growing points or forks appears to be the most common. The movement of two forks away from each other creates a loop which appears as a “bubble” or “eye” in electron micrographs. It does not follow, however, that the speed on extent of movement of the two forks is the same in both directions.

Rule # 3. Replication Starts off a Unique Point on Bacterial and Viral Chromosomes:

By starting another copy at a unique point, called the origin, before the preceding one is completed, the chromosomes of a rapidly growing bacterium may have several forks and increase its rate of replication. By contrast, replication in eukaryotic chromo­somes begins at many origins located at differ­ent positions along the chromosomal DNA.

Rule # 4. Replication of Both Strands Proceeds by the Addition of Nucleotide Monomers in the 5′-3′ Direction:

The addition of nucleotide monomers in the 5′-3′ direction proceeds in accordance with the requirements of DNA polymerases. Consequently, replication at the monomer level of nucleotides cannot occur simultane­ously along both anti-parallel strands in the region of the fork a transient single-stranded region is created on one side of the duplex while the other strand is being replicated.

Rule # 5. Replication Occurs in Short, Discon­tinuous Pulses:

The short fragments—about 100 nucleotides long in animal cells and 1,000 to 2,000 in prokaryotes—later join to the main body of the growing chains.

Rule # 6. Replication at the Level of Short Frag­ments is Initiated by the Production of a Short Segment of RNA to Serve as a Primer for DNA Polymerase:

The region of RNA is later excised, and the gap thus created is filled with DNA. The nascent pieces—or replication fragments of DNA—are joined to the growing chromo­some. When two replicating forms moving in opposite directions on a circular chromosome approach each other at a point it will signal a division into the progeny chromosomes.


DNA Replication Models

After Watson and Crick proposed the double helix structure for DNA, three models for DNA replication were proposed: conservative, semiconservative, and dispersive. In the conservative model, the first replication produces one daughter molecule containing both parental strands and another containing all new strands. In the semiconservative model, each parental strand is a template for a new strand. Each daughter molecule has a parental strand and a new strand. In the dispersive model, each parental strand is broken into double-stranded segments that act as templates for new molecules. The segments then reassemble into complete double helices, each with parental and new segments interspersed.

Perguntas:
1. Suppose you were a scientist evaluating these three models when they were first proposed. What would have been your hypothesis regarding which model was correct? Explique
2. Which two models have similar results after replication cycle 1?
3 Why were culture samples taken after each replication cycle?
4. Which model(s), if any, is ruled out by the experimental results of replication cycle 1? Explique.
5. Which model is proved correct by the experimental results of replication cycle 2? Explique.

© BrainMass Inc. brainmass.com March 5, 2021, 1:10 am ad1c9bdddf
https://brainmass.com/biology/genetics/dna-replication-models-567393

Solution Preview

Soluções
1. Based on the lack of knowledge about DNA replication at the time when these 3 models were proposed, any three of the DNA replication models could be correct at the time. However, through the work of two scientist named Matthew Meselson and Franklin Stahl, they proved that DNA replication is semiconservative. They used two isotopes of nitrogen, 15N and 14N to label the E. coli DNA and they used a technique known as cesium chloride (CsCl) equilibrium density gradient centrifugation as their sedimentation method. They used nitrogen to label DNA because it was a central component of DNA. They knew that when a cell divides and replicate its DNA, it incorporates new N atoms into the DNA of either one or both of its two daughter cells. The CsCl density equilibrium gradient centrifugation will separate different density DNA molecules. In other words, the DNA labeled with the heavy nitrogen will resolved different from the lighter nitrogen. By centrifugation, they found the E.coli had DNA containing the heavy nitrogen 15N appeared as a single band when grown in 15N medium for several generation. They then transfer the .

Solution Summary

This solution contains in-depth explanations about DNA replication models.


3.3: Basics of DNA Replication

DNA replication uses a semi-conservative method that results in a double-stranded DNA with one parental strand and a new daughter strand.

Figure (PageIndex<1>): (a) the DNA structure has a double helix structure. (b) An illustration of phosphodiester bonds. (c)The major and minor grooves are binding sites for DNA binding proteins during processes such as transcription (the copying of RNA from DNA)

Watson and Crick&rsquos discovery that DNA was a two-stranded double helix provided a hint as to how DNA is replicated. During cell division, each DNA molecule has to be perfectly copied to ensure identical DNA molecules to move to each of the two daughter cells. The double-stranded structure of DNA suggested that the two strands might separate during replication with each strand serving as a template from which the new complementary strand for each is copied, generating two double-stranded molecules from one.