Em formação

9: Estrutura e replicação do DNA - Biologia


9: Estrutura e Replicação do DNA

9.2 Replicação de DNA

Quando uma célula se divide, é importante que cada célula filha receba uma cópia idêntica do DNA. Isso é realizado pelo processo de replicação do DNA. A replicação do DNA ocorre durante a fase de síntese, ou fase S, do ciclo celular, antes que a célula entre na mitose ou meiose.

A elucidação da estrutura da dupla hélice deu uma dica de como o DNA é copiado. Lembre-se de que os nucleotídeos de adenina emparelham-se com os nucleotídeos de timina e a citosina com a guanina. Isso significa que as duas fitas são complementares entre si. Por exemplo, uma fita de DNA com uma sequência de nucleotídeos de AGTCATGA terá uma fita complementar com a sequência TCAGTACT (Figura 9.8).

Devido à complementaridade dos dois fios, ter um fio significa que é possível recriar o outro fio. Este modelo para replicação 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 (Figura 9.9).

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 copiadas. A nova vertente será complementar à vertente parental ou “antiga”. Cada nova fita dupla consiste em uma fita parental e uma nova fita filha. Isso é conhecido como replicação semiconservativa. Quando duas cópias de DNA são formadas, elas têm uma sequência idêntica de bases de nucleotídeos e são divididas igualmente em duas células-filhas.

Replicação de DNA em eucariotos

Como os genomas eucarióticos são muito complexos, a replicação do DNA é um processo muito complicado que envolve várias enzimas e outras proteínas. Ocorre em três estágios principais: iniciação, alongamento e término.

Lembre-se de que o DNA eucariótico é ligado a proteínas conhecidas como histonas para formar estruturas chamadas nucleossomos. Durante a iniciação, o DNA fica acessível às proteínas e enzimas envolvidas no processo de replicação. Como a máquina de replicação sabe onde começar na dupla hélice do DNA? Acontece que existem sequências de nucleotídeos específicas chamadas origens de replicação, nas quais a replicação começa. Certas proteínas se ligam à origem da replicação, enquanto uma enzima chamada helicase se desenrola e abre a hélice do DNA. À medida que o DNA se abre, estruturas em forma de Y, chamadas garfos de replicação, são formadas (Figura 9.10). Duas bifurcações de replicação são formadas na origem da replicação e são estendidas em ambas as direções conforme a replicação prossegue. Existem várias origens de replicação no cromossomo eucariótico, de modo que a replicação pode ocorrer simultaneamente em vários locais do genoma.

Durante o alongamento, uma enzima chamada DNA polimerase adiciona nucleotídeos de DNA à extremidade 3 'do molde. Como a DNA polimerase só pode adicionar novos nucleotídeos no final de um backbone, uma sequência de primer, que fornece esse ponto de partida, é adicionada com nucleotídeos de RNA complementares. Este primer é removido posteriormente, e os nucleotídeos são substituídos por nucleotídeos de DNA. Uma fita, que é complementar à fita de DNA parental, é sintetizada continuamente em direção à forquilha de replicação para que a polimerase possa adicionar nucleotídeos nessa direção. Esta fita sintetizada continuamente é conhecida como a fita principal. Como a DNA polimerase só pode sintetizar DNA na direção de 5 'para 3', a outra nova fita é reunida em pequenos pedaços chamados fragmentos de Okazaki. Cada fragmento de Okazaki requer um primer feito de RNA para iniciar a síntese. A fita com os fragmentos de Okazaki é conhecida como fita retardada. Conforme a síntese prossegue, uma enzima remove o primer de RNA, que é então substituído por nucleotídeos de DNA, e as lacunas entre os fragmentos são seladas por uma enzima chamada DNA ligase.

O processo de replicação do DNA pode ser resumido da seguinte forma:

  1. O DNA se desenrola na origem da replicação.
  2. Novas bases são adicionadas às fitas parentais complementares. Uma nova vertente é feita continuamente, enquanto a outra vertente é feita em pedaços.
  3. Os primers são removidos, novos nucleotídeos de DNA são colocados no lugar dos primers e a estrutura é selada por DNA ligase.

Conexão Visual

Você isola uma cepa celular na qual a união dos fragmentos de Okazaki é prejudicada e suspeita que ocorreu uma mutação em uma enzima encontrada na bifurcação da replicação. Qual enzima tem maior probabilidade de sofrer mutação?

Replicação de telômero

Como os cromossomos eucarióticos são lineares, a replicação do DNA chega ao fim de uma linha nos cromossomos eucarióticos. Como você aprendeu, a enzima DNA polimerase pode adicionar nucleotídeos em apenas uma direção. Na fita principal, a síntese continua até que o final do cromossomo seja alcançado; no entanto, na fita atrasada não há lugar para um primer ser feito para o fragmento de DNA a ser copiado no final do cromossomo. Isso representa um problema para a célula porque as extremidades permanecem desemparelhadas e, com o tempo, essas extremidades ficam progressivamente mais curtas à medida que as células continuam a se dividir. As extremidades dos cromossomos lineares são conhecidas como telômeros, que possuem sequências repetitivas que não codificam para um determinado gene. Como consequência, são os telômeros que são encurtados a cada rodada de replicação do DNA, em vez dos genes. Por exemplo, em humanos, uma sequência de seis pares de bases, TTAGGG, é repetida de 100 a 1000 vezes. A descoberta da enzima telomerase (Figura 9.11) ajudou na compreensão de como as extremidades dos cromossomos são mantidas. A telomerase se liga ao final do cromossomo, e bases complementares ao modelo de RNA são adicionadas ao final da fita de DNA. Uma vez que o molde da fita retardada é suficientemente alongado, a DNA polimerase pode agora adicionar nucleotídeos que são complementares às extremidades dos cromossomos. Assim, as extremidades dos cromossomos são replicadas.

A telomerase costuma ser ativa em células germinativas, células-tronco adultas e algumas células cancerosas. Por sua descoberta da telomerase e sua ação, Elizabeth Blackburn (Figura 9.12) recebeu o Prêmio Nobel de Medicina e Fisiologia em 2009.

A telomerase não é ativa nas células somáticas adultas. As células somáticas adultas que sofrem divisão celular continuam a ter seus telômeros encurtados. Isso significa essencialmente que o encurtamento do telômero está associado ao envelhecimento. Em 2010, os cientistas descobriram que a telomerase pode reverter algumas condições relacionadas à idade em camundongos, e isso pode ter potencial na medicina regenerativa. 1 Camundongos com deficiência de telomerase foram usados ​​nesses estudos, esses camundongos apresentam atrofia do tecido, depleção de células-tronco, falha do sistema de órgãos e respostas prejudicadas à lesão do tecido. A reativação da telomerase nesses ratos causou extensão dos telômeros, redução do dano ao DNA, reversão da neurodegeneração e melhora do funcionamento dos testículos, baço e intestinos. Assim, a reativação dos telômeros pode ter potencial para o tratamento de doenças relacionadas à idade em humanos.

Replicação de DNA em procariontes

Lembre-se de que o cromossomo procariótico é uma molécula circular com uma estrutura de enrolamento menos extensa do que os cromossomos eucarióticos. O cromossomo eucariótico é linear e altamente enrolado em proteínas. Embora existam muitas semelhanças no processo de replicação do DNA, essas diferenças estruturais exigem algumas diferenças no processo de replicação do DNA nessas duas formas de vida.

A replicação do DNA foi extremamente bem estudada em procariotos, principalmente por causa do pequeno tamanho do genoma e do grande número de variantes disponíveis. Escherichia coli tem 4,6 milhões de pares de bases em um único cromossomo circular, e tudo isso é replicado em aproximadamente 42 minutos, partindo de uma única origem de replicação e prosseguindo ao redor do cromossomo em ambas as direções. Isso significa que aproximadamente 1000 nucleotídeos são adicionados por segundo. O processo é muito mais rápido do que em eucariotos. A Tabela 9.1 resume as diferenças entre as replicações procarióticas e eucarióticas.

Propriedade Procariontes Eucariotos
Origem de replicação Solteiro Múltiplo
Taxa de replicação 1000 nucleotídeos / s 50 a 100 nucleotídeos / s
Estrutura cromossômica circular linear
Telomerase Não presente Presente

Conceitos em ação

Clique em um tutorial sobre a replicação do DNA.

Reparo de DNA

A DNA polimerase pode cometer erros ao adicionar nucleotídeos. Ele edita o DNA revisando cada base recém-adicionada. As bases incorretas são removidas e substituídas pela base correta e, em seguida, a polimerização continua (Figura 9.13uma) A maioria dos erros é corrigida durante a replicação, embora, quando isso não acontece, o mecanismo de reparo de incompatibilidade seja empregado. As enzimas de reparo de incompatibilidade reconhecem a base incorretamente incorporada e a extirpam do DNA, substituindo-a pela base correta (Figura 9.13b) Em ainda outro tipo de reparo, reparo por excisão de nucleotídeo, a fita dupla de DNA é desenrolada e separada, as bases incorretas são removidas junto com algumas bases nas extremidades 5 'e 3', e estas são substituídas copiando o modelo com a ajuda de DNA polimerase (Figura 9.13c) O reparo por excisão de nucleotídeos é particularmente importante na correção de dímeros de timina, que são causados ​​principalmente pela luz ultravioleta. Em um dímero de timina, dois nucleotídeos de timina adjacentes um ao outro em uma fita estão covalentemente ligados um ao outro, em vez de suas bases complementares. Se o dímero não for removido e reparado, ocorrerá uma mutação. Indivíduos com falhas em seus genes de reparo por excisão de nucleotídeos mostram extrema sensibilidade à luz solar e desenvolvem câncer de pele cedo na vida.

A maioria dos erros é corrigida, caso contrário, eles podem resultar em uma mutação - definida como uma mudança permanente na sequência de DNA. Mutações em genes de reparo podem levar a consequências graves, como câncer.


A Estrutura do RNA

Existe um segundo ácido nucléico em todas as células, denominado ácido ribonucléico ou RNA. Como o DNA, o RNA é um polímero de nucleotídeos. Cada um dos nucleotídeos do RNA é composto de uma base nitrogenada, um açúcar de cinco carbonos e um grupo fosfato. No caso do RNA, o açúcar de cinco carbonos é a ribose, não a desoxirribose. A ribose tem um grupo hidroxila no carbono 2 & # 8242, ao contrário da desoxirribose, que possui apenas um átomo de hidrogênio (Figura 9.5).

Figura 9.5 A diferença entre a ribose encontrada no RNA e a desoxirribose encontrada no DNA é que a ribose tem um grupo hidroxila no carbono 2 & # 8242.

Os nucleotídeos do RNA contêm as bases nitrogenadas adenina, citosina e guanina. No entanto, eles fazem não contém timina, que é ao invés substituído por uracil, simbolizado por um “U.” O RNA existe como uma molécula de fita simples em vez de uma hélice de fita dupla. Os biólogos moleculares nomearam vários tipos de RNA com base em sua função. Estes incluem RNA mensageiro (mRNA), RNA de transferência (tRNA) e RNA ribossomal (rRNA) - moléculas que estão envolvidas na produção de proteínas a partir do código de DNA.


9,2 | 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. Três modelos foram sugeridos (Figura 9.12): conservador, semiconservador e dispersivo.

Figura 9.12 Os três modelos sugeridos de replicação de DNA. Cinza indica as fitas originais do DNA e azul indica DNA recém-sintetizado.


Enzimas Principais

O processo de Replicação de DNA é catalisado por um tipo de enzima chamada DNA polimerase (poli significando muitos, mer significando peças, e & # 8211ase significando enzima, então uma enzima que liga muitos pedaços de DNA). Observe a Figura 6: a dupla hélice da molécula de DNA original se separa (azul) e novas fitas são feitas para coincidir com as fitas separadas. O resultado serão duas moléculas de DNA, cada uma contendo uma fita velha e uma nova. Portanto, a replicação do DNA é chamada de semiconservativa. O termo semiconservador refere-se ao fato de que metade da molécula original (uma das duas fitas na dupla hélice) é “conservada” na nova molécula. A vertente original é referida como o vertente modelo porque fornece a informação, ou modelo, para a fita recém-sintetizada.

Figura 6. Por Madprime (wikipedia) (replicação de DNA dividida horizontal) CC BY-SA 2.0

Replicação de DNA depende da natureza de fita dupla da molécula. Uma molécula de DNA de fita dupla, quando replicada, se tornará duas moléculas de fita dupla, cada uma contendo uma fita original e uma fita recém-sintetizada. Você lembra que as duas fitas de DNA são antiparalelas: uma do 5 ′ ao 3 ′ e a outra do 3 ′ ao 5 ′. A síntese da nova fita de DNA só pode acontecer em uma direção: da extremidade 5 'para a extremidade 3'. Em outras palavras, as novas bases são sempre adicionadas à extremidade 3 'da fita de DNA recém-sintetizada. Portanto, se o novo nucleotídeo é sempre adicionado à extremidade 3 'de um nucleotídeo existente, onde o primeiro nucleotídeo vem? Na verdade, DNA polimerase precisa de uma “âncora” para começar a adicionar nucleotídeos: uma sequência curta de DNA ou RNA que é complementar à fita modelo funcionará para fornecer uma extremidade 3 'livre. Esta sequência é chamada de primer (Figura 7).

Figura 7. Primer e modelo

Como vai DNA polimerase sabe em que ordem adicionar nucleotídeos? O emparelhamento de bases específico no DNA é a chave para copiar o DNA: se você conhece a sequência de uma fita, pode usar as regras de emparelhamento de bases para construir a outra fita. As bases formam pares (pares de bases) de uma maneira muito específica. A Figura 8 mostra como UMA (adenina) emparelha-se com T (timina) e G (guanina) emparelha-se com C (citosina). É importante lembrar que essa ligação é específica: T pares com UMA, mas não com C. O reconhecimento molecular ocorre devido à capacidade das bases de formar ligações de hidrogênio específicas: os átomos se alinham exatamente para possibilitar as ligações de hidrogênio. Observe também que uma base maior (purina, UMA ou G) sempre emparelha com uma base menor (pirimidina, C ou T).

Figura 8. Estrutura química do DNA. Modificação da estrutura química do DNA por Madeleine Price Ball CC-BY-SA-2.0


Resumo do capítulo

O modelo da estrutura de dupla hélice do DNA foi proposto por Watson e Crick. A molécula de DNA é um polímero de nucleotídeos. Cada nucleotídeo é composto de uma base nitrogenada, um açúcar de cinco carbonos (desoxirribose) e um grupo fosfato. Existem quatro bases nitrogenadas no DNA, duas purinas (adenina e guanina) e duas pirimidinas (citosina e timina). Uma molécula de DNA é composta de duas fitas. Cada fita é composta de nucleotídeos ligados covalentemente entre o grupo fosfato de um e o açúcar desoxirribose do próximo. Deste backbone estendem-se as bases. As bases de uma fita se ligam às bases da segunda fita com ligações de hidrogênio. A adenina sempre se liga à timina e a citosina sempre se liga à guanina. A ligação faz com que os dois fios se enrolem em uma forma chamada de dupla hélice. O ácido ribonucleico (RNA) é um segundo ácido nucleico encontrado nas células. O RNA é um polímero de fita simples de nucleotídeos. Também difere do DNA por conter o açúcar ribose, em vez de desoxirribose, e o nucleotídeo uracil, em vez de timina. Várias moléculas de RNA funcionam no processo de formação de proteínas a partir do código genético do DNA.

Os procariontes contêm um cromossomo circular de fita dupla simples. Os eucariotos contêm moléculas de DNA linear de fita dupla empacotadas em cromossomos. A hélice do DNA é envolvida em proteínas para formar nucleossomos. As bobinas de proteína são ainda mais enroladas e, durante a mitose e a meiose, os cromossomos ficam ainda mais enrolados para facilitar seu movimento. Os cromossomos têm duas regiões distintas que podem ser distinguidas por coloração, refletindo diferentes graus de empacotamento e determinados se o DNA em uma região está sendo expresso (eucromatina) ou não (heterocromatina).

9.2 Replicação de DNA

O DNA se replica por um método semiconservador no qual cada uma das duas fitas de DNA parental atua como um modelo para o novo DNA a ser sintetizado. Após a replicação, cada DNA tem uma fita parental ou "velha" e uma filha ou fita "nova".

A replicação em eucariotos começa em várias origens de replicação, enquanto a replicação em procariotos começa em uma única origem de replicação. O DNA é aberto com enzimas, resultando na formação do garfo de replicação. Primase sintetiza um primer de RNA para iniciar a síntese pela DNA polimerase, que pode adicionar nucleotídeos em apenas uma direção. Uma fita é sintetizada continuamente na direção da bifurcação de replicação, é chamada de fita principal. A outra fita é sintetizada na direção oposta à bifurcação de replicação, em pequenos trechos de DNA conhecidos como fragmentos de Okazaki. Esta vertente é conhecida como vertente retardada. Uma vez que a replicação é concluída, os primers de RNA são substituídos por nucleotídeos de DNA e o DNA é selado com DNA ligase.

As extremidades dos cromossomos eucarióticos representam um problema, pois a polimerase é incapaz de estendê-los sem um primer. A telomerase, uma enzima com um modelo de RNA embutido, estende as extremidades copiando o modelo de RNA e estendendo uma extremidade do cromossomo. A DNA polimerase pode então estender o DNA usando o primer. Dessa forma, as extremidades dos cromossomos são protegidas. As células têm mecanismos para reparar o DNA quando ele é danificado ou quando ocorrem erros de replicação. Esses mecanismos incluem o reparo de incompatibilidade para substituir os nucleotídeos emparelhados com uma base não complementar e o reparo por excisão de nucleotídeo, que remove as bases danificadas, como os dímeros de timina.

9.3 Transcrição

Em procariotos, a síntese de mRNA é iniciada em uma sequência promotora no molde de DNA. O alongamento sintetiza novo mRNA. A terminação libera o mRNA e ocorre por mecanismos que paralisam a RNA polimerase e fazem com que ela saia do molde de DNA. Os mRNAs eucarióticos recentemente transcritos são modificados com uma tampa e uma cauda poli-A. Essas estruturas protegem o mRNA maduro da degradação e ajudam a exportá-lo do núcleo. Os mRNAs eucarióticos também sofrem splicing, no qual os íntrons são removidos e os exons são reconectados com precisão de um único nucleotídeo. Apenas mRNAs acabados são exportados do núcleo para o citoplasma.

9.4 Tradução

O dogma central descreve o fluxo de informações genéticas na célula, dos genes ao mRNA e às proteínas. Os genes são usados ​​para fazer mRNA pelo processo de transcrição mRNA é usado para sintetizar proteínas pelo processo de tradução. O código genético é a correspondência entre o códon do mRNA de três nucleotídeos e um aminoácido. O código genético é “traduzido” pelas moléculas de tRNA, que associam um códon específico a um aminoácido específico. O código genético é degenerado porque 64 códons tripletos no mRNA especificam apenas 20 aminoácidos e três códons de parada. Isso significa que mais de um códon corresponde a um aminoácido. Quase todas as espécies do planeta usam o mesmo código genético.

Os atores na tradução incluem o modelo de mRNA, ribossomos, tRNAs e vários fatores enzimáticos. A pequena subunidade ribossômica se liga ao modelo de mRNA. A tradução começa no AUG inicial no mRNA. A formação de ligações ocorre entre aminoácidos sequenciais especificados pelo modelo de mRNA de acordo com o código genético. O ribossomo aceita tRNAs carregados e, à medida que avança ao longo do mRNA, catalisa a ligação entre o novo aminoácido e o fim do polipeptídeo em crescimento. Todo o mRNA é traduzido em "etapas" de três nucleotídeos do ribossomo. Quando um códon de parada é encontrado, um fator de liberação se liga e dissocia os componentes e libera a nova proteína.

9.5 Como os genes são regulados

Embora todas as células somáticas de um organismo contenham o mesmo DNA, nem todas as células desse organismo expressam as mesmas proteínas. Os organismos procarióticos expressam todo o DNA que codificam em cada célula, mas não necessariamente todos ao mesmo tempo. As proteínas são expressas apenas quando são necessárias. Os organismos eucarióticos expressam um subconjunto do DNA que é codificado em qualquer célula. Em cada tipo de célula, o tipo e a quantidade de proteína são regulados pelo controle da expressão gênica. Para expressar uma proteína, o DNA é primeiro transcrito em RNA, que é então traduzido em proteínas. Em células procarióticas, esses processos ocorrem quase simultaneamente. Nas células eucarióticas, a transcrição ocorre no núcleo e é separada da tradução que ocorre no citoplasma. A expressão gênica em procariotos é regulada apenas no nível transcricional, enquanto nas células eucarióticas, a expressão gênica é regulada nos níveis epigenético, transcricional, pós-transcricional, translacional e pós-tradução.


9: Estrutura e replicação do DNA - Biologia

Os blocos de construção do DNA são os nucleotídeos. Os componentes importantes de cada nucleotídeo são uma base nitrogenada, desoxirribose (açúcar de 5 carbonos) e um grupo fosfato (ver Figura 1). Cada nucleotídeo é nomeado dependendo de sua base nitrogenada. A base nitrogenada pode ser uma purina, como adenina (A) e guanina (G), ou uma pirimidina, como citosina (C) e timina (T). Uracil (U) também é uma pirimidina (como visto na Figura 1), mas ocorre apenas no RNA, sobre o qual falaremos mais tarde.

Figura 1. Cada nucleotídeo é feito de um açúcar, um grupo fosfato e uma base nitrogenada. O açúcar é a desoxirribose no DNA e a ribose no RNA.

As purinas têm uma estrutura de anel duplo com um anel de seis membros fundido a um anel de cinco membros. As pirimidinas são menores em tamanho e possuem uma única estrutura em anel de seis membros.

O açúcar é a desoxirribose no DNA e a ribose no RNA. Os átomos de carbono do açúcar de cinco carbonos são numerados 1 & # 8242, 2 & # 8242, 3 & # 8242, 4 & # 8242 e 5 & # 8242 (1 & # 8242 é lido como "um primo"). O fosfato, que torna o DNA e o RNA ácidos, está ligado ao carbono 5 & # 8242 do açúcar pela formação de uma ligação éster entre o ácido fosfórico e o grupo 5 & # 8242-OH (um éster é um ácido + um álcool). Nos nucleotídeos do DNA, o carbono 3 & # 8242 do açúcar desoxirribose está ligado a um grupo hidroxila (OH). Nos nucleotídeos do RNA, o carbono 2 & # 8242 da ribose do açúcar também contém um grupo hidroxila. A base é anexada ao 1 & # 8217carbono do açúcar.

Os nucleotídeos se combinam para produzir ligações fosfodiéster. O resíduo de fosfato ligado ao carbono 5 & # 8242 do açúcar de um nucleotídeo forma uma segunda ligação éster com o grupo hidroxila do carbono 3 & # 8242 do açúcar do próximo nucleotídeo, formando assim um fosfodiéster 5 & # 8242-3 & # 8242 ligação. Em um polinucleotídeo, uma extremidade da cadeia tem um fosfato 5 & # 8242 livre e a outra extremidade tem um 3 & # 8242-OH livre. Eles são chamados de extremidades 5 & # 8242 e 3 & # 8242 da cadeia.

Na década de 1950, Francis Crick e James Watson trabalharam juntos para determinar a estrutura do DNA na Universidade de Cambridge, na Inglaterra. Outros cientistas como Linus Pauling e Maurice Wilkins também estavam explorando ativamente esse campo. Pauling já havia descoberto a estrutura secundária das proteínas usando 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 conseguiram montar o quebra-cabeça da molécula de DNA com base nos dados de Franklin & # 8217s porque Crick também havia estudado a difração de raios-X (Figura 2). Em 1962, James Watson, Francis Crick e Maurice Wilkins receberam o Prêmio Nobel de Medicina. Infelizmente, a essa altura Franklin já havia morrido e os prêmios Nobel não são concedidos postumamente.

Figura 2. O trabalho de cientistas pioneiros (a) James Watson, Francis Crick e Maclyn McCarty levou à nossa compreensão atual do DNA. A cientista Rosalind Franklin descobriu (b) o padrão de difração de raios X do DNA, 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 fitas que são torcidas uma em torno da outra para formar uma hélice destra. O emparelhamento de bases ocorre entre uma purina e uma pirimidina em fitas opostas, de modo que A emparelha com T e G emparelha com C (sugerido pelas Regras de Chargaff & # 8217s). Assim, adenina e timina são pares de bases complementares, e citosina e guanina também são pares de bases complementares. Os pares de bases são estabilizados por ligações de hidrogênio: a adenina e a timina formam duas ligações de hidrogênio e a citosina e a guanina formam três ligações de hidrogênio. As duas fitas são antiparalelas por natureza, ou seja, a extremidade 3 e # 8242 de uma fita está voltada para a extremidade 5 e # 8242 da outra. O açúcar e o fosfato dos nucleotídeos formam a espinha dorsal da estrutura, enquanto as bases nitrogenadas estão empilhadas internamente, como os degraus de uma escada. Cada par de bases é separado do próximo par de bases por uma distância de 0,34 nm, e cada volta da hélice mede 3,4 nm. Portanto, 10 pares de bases estão presentes por volta da hélice. O diâmetro da dupla hélice do DNA é de 2 nm e é totalmente uniforme. Apenas o emparelhamento entre uma purina e pirimidina e a orientação antiparalela das duas fitas de DNA podem explicar o diâmetro uniforme. A torção dos dois fios em torno um do outro resulta na formação de ranhuras maiores e menores uniformemente espaçadas (Figura 3).

Figura 3. O DNA tem (a) uma estrutura de dupla hélice e (b) ligações fosfodiéster. As (c) ranhuras maiores e menores são locais de ligação para proteínas de ligação ao DNA durante processos como a transcrição (a cópia do RNA do DNA) e a replicação.


Qual é a estrutura do DNA?

As moléculas de DNA são polímeros, o que significa que são moléculas grandes compostas por muitas moléculas menores. As pequenas moléculas que compõem o DNA são chamadas nucleotídeos. Cada nucleotídeo contém um grupo fosfato, uma molécula de açúcar (chamada desoxirribose) e uma base nitrogenada.

Existem quatro tipos de bases nitrogenadas encontradas nas moléculas de DNA. Estes são:

A ordem dos nucleotídeos em uma molécula de DNA é conhecida como a sequência de DNA ou Código genético. O código genético determina quais instruções são codificadas na molécula de DNA, por exemplo, como fazer um certo tipo de proteína. Os nucleotídeos estão fortemente ligados entre si por ligações fosfodiéster,que se formam entre o átomo de carbono 3 'de uma molécula de açúcar e o átomo de carbono 5' de outra.

As duas fitas da dupla hélice correm em direções opostas uma à outra, o que significa que a extremidade 5 'de uma fita está voltada para a extremidade 3' da outra. Isso é chamado de orientação antiparalela,e é essencial para o sucesso da replicação do DNA.


A estrutura do DNA fornece um mecanismo para a hereditariedade

Os genes carregam informações biológicas que devem ser copiadas com precisão para serem transmitidas à próxima geração cada vez que uma célula se divide para formar duas células-filhas. Duas questões biológicas centrais surgem desses requisitos: como a informação para especificar um organismo pode ser carregada na forma química e como ela é copiada com precisão? A descoberta da estrutura da dupla hélice do DNA foi um marco na biologia do século XX porque sugeriu imediatamente respostas para ambas as questões, resolvendo assim, no nível molecular, o problema da hereditariedade. Discutiremos brevemente as respostas a essas perguntas nesta seção e as examinaremos com mais detalhes nos capítulos subsequentes.

O DNA codifica informações por meio da ordem, ou sequência, dos nucleotídeos ao longo de cada fita. Cada base & # x02014A, C, T ou G & # x02014 pode ser considerada como uma letra em um alfabeto de quatro letras que soletra mensagens biológicas na estrutura química do DNA. Como vimos no Capítulo 1, os organismos diferem uns dos outros porque suas respectivas moléculas de DNA têm sequências de nucleotídeos diferentes e, conseqüentemente, carregam mensagens biológicas diferentes. Mas como o alfabeto de nucleotídeos é usado para fazer mensagens, e o que eles explicam?

Como discutido acima, era sabido bem antes da estrutura do DNA ser determinada que os genes contêm as instruções para a produção de proteínas. As mensagens de DNA devem, portanto, codificar proteínas de alguma forma (Figura 4-6). Essa relação torna imediatamente o problema mais fácil de entender, devido ao caráter químico das proteínas. Conforme discutido no Capítulo 3, as propriedades de uma proteína, que são responsáveis ​​por sua função biológica, são determinadas por sua estrutura tridimensional, e sua estrutura é determinada, por sua vez, pela sequência linear dos aminoácidos de que é composta. A sequência linear de nucleotídeos em um gene deve, portanto, de alguma forma, definir a sequência linear de aminoácidos em uma proteína. A correspondência exata entre o alfabeto de nucleotídeos de quatro letras do DNA e o alfabeto de vinte letras de aminoácidos das proteínas & # x02014 o código genético & # x02014 não é óbvia a partir da estrutura do DNA, e levou mais de uma década após a descoberta da dupla hélice antes dela foi elaborado. No Capítulo 6, descrevemos esse código em detalhes no decorrer da elaboração do processo, conhecido como expressão genetica, através do qual uma célula traduz a sequência de nucleotídeos de um gene na sequência de aminoácidos de uma proteína.

Figura 4-6

A relação entre a informação genética transportada no DNA e proteínas.

O conjunto completo de informações no DNA de um organismo é chamado de genoma e carrega as informações de todas as proteínas que o organismo irá sintetizar. (O termo genoma também é usado para descrever o DNA que carrega essas informações.) A quantidade de informações contidas nos genomas é impressionante: por exemplo, uma célula humana típica contém 2 metros de DNA. Escrito no alfabeto de nucleotídeos de quatro letras, a sequência de nucleotídeos de um gene humano muito pequeno ocupa um quarto de uma página de texto (Figura 4-7), enquanto a sequência completa de nucleotídeos no genoma humano preencheria mais de mil livros do tamanho deste. Além de outras informações críticas, ele carrega as instruções para cerca de 30.000 proteínas distintas.

Figura 4-7

A sequência de nucleotídeos do gene humano & # x003b2-globina. Esse gene carrega as informações para a sequência de aminoácidos de um dos dois tipos de subunidades da molécula de hemoglobina, que transporta oxigênio no sangue. Um gene diferente, o & # x003b1-globina (mais.)

A cada divisão celular, a célula deve copiar seu genoma para passá-lo às duas células-filhas. A descoberta da estrutura do DNA também revelou o princípio que torna essa cópia possível: como cada fita de DNA contém uma sequência de nucleotídeos que é exatamente complementar à sequência de nucleotídeos de sua fita parceira, cada fita pode atuar como um molde, ou molde , para a síntese de uma nova fita complementar. Em outras palavras, se designarmos as duas fitas de DNA como S e S & # x02032, a fita S pode servir como um modelo para fazer uma nova fita S & # x02032, enquanto a fita S & # x02032 pode servir como um modelo para fazer uma nova fita S (Figura 4-8). Assim, a informação genética no DNA pode ser copiada com precisão pelo processo lindamente simples em que a fita S se separa da fita S & # x02032, e cada fita separada serve como um modelo para a produção de uma nova fita complementar complementar que é idêntica à sua ex-parceiro.

Figura 4-8

O DNA como modelo para sua própria duplicação. Como o nucleotídeo A emparelha com sucesso apenas com T e G com C, cada fita de DNA pode especificar a sequência de nucleotídeos em sua fita complementar. Desta forma, o DNA de dupla hélice pode ser copiado com precisão. (mais. )

A capacidade de cada fita de uma molécula de DNA de atuar como um modelo para a produção de uma fita complementar permite que uma célula se copie, ou replicar, seus genes antes de passá-los para seus descendentes. No próximo capítulo, descreveremos o maquinário elegante que a célula usa para realizar essa tarefa enorme.


O modelo da estrutura de dupla hélice do DNA foi proposto por Watson e Crick. A molécula de DNA é um polímero de nucleotídeos. Cada nucleotídeo é composto de uma base nitrogenada, um açúcar de cinco carbonos (desoxirribose) e um grupo fosfato. Existem quatro bases nitrogenadas no DNA, duas purinas (adenina e guanina) e duas pirimidinas (citosina e timina). Uma molécula de DNA é composta por duas fitas. Cada fita é composta de nucleotídeos ligados covalentemente entre o grupo fosfato de um e o açúcar desoxirribose do próximo. Deste backbone estendem-se as bases. As bases de uma fita se ligam às bases da segunda fita com ligações de hidrogênio. A adenina sempre se liga à timina e a citosina sempre se liga à guanina. A ligação faz com que os dois fios se enrolem em uma forma chamada de dupla hélice. O ácido ribonucleico (RNA) é um segundo ácido nucleico encontrado nas células. O RNA é um polímero de fita simples de nucleotídeos. Também difere do DNA por conter o açúcar ribose, em vez de desoxirribose, e o nucleotídeo uracil, em vez de timina. Várias moléculas de RNA funcionam no processo de formação de proteínas a partir do código genético do DNA.

Os procariontes contêm um cromossomo circular de fita dupla simples. Os eucariotos contêm moléculas de DNA linear de fita dupla empacotadas em cromossomos. A hélice do DNA é envolvida em proteínas para formar nucleossomos. As bobinas de proteína são ainda mais enroladas e, durante a mitose e a meiose, os cromossomos ficam ainda mais enrolados para facilitar seu movimento. Os cromossomos têm duas regiões distintas que podem ser distinguidas por coloração, refletindo diferentes graus de empacotamento e determinados se o DNA em uma região está sendo expresso (eucromatina) ou não (heterocromatina).

Exercícios

Glossário

desoxirribose: uma molécula de açúcar de cinco carbonos com um átomo de hidrogênio em vez de um grupo hidroxila na posição 2 & # 8242, o componente de açúcar dos nucleotídeos de DNA

dupla hélice: a forma molecular do DNA em que duas fitas de nucleotídeos se enrolam em uma espiral

Base nitrogenada: uma molécula contendo nitrogênio que atua como uma base, muitas vezes se referindo a um dos componentes de purina ou pirimidina dos ácidos nucleicos

grupo fosfato: um grupo molecular que consiste em um átomo de fósforo central ligado a quatro átomos de oxigênio


Assista o vídeo: Replikacja DNA. Genetyka - podstawy. Biologia 8 klasa. Film edukacyjny. Lekcja online (Novembro 2021).