Biology · Livro 2 · Grades 10–12

Biologia do ensino médio

Biologia do ensino médio · Grades 10–12

11A replicação do DNA

Todo dia a sua medula óssea produz duzentos bilhões de hemácias novas, o revestimento do seu intestino se renova a cada poucos dias, e cada uma dessas células novas recebe uma cópia completa dos dois metros de DNA que os capítulos anteriores descreveram como o texto da célula. Copiar três bilhões de letras, sem ter um original para consultar, em poucas horas, com menos erros do que um datilógrafo profissional comete numa página: como isso é feito? A resposta foi adivinhada a partir da própria estrutura da molécula em 1953, e provada por um dos experimentos mais elegantes da biologia cinco anos depois.

11.1 O problema de copiar

Definição 11.1 (Replicação)

A replicação do DNA é o processo pelo qual uma célula fabrica, a partir de uma molécula de DNA de fita dupla, duas moléculas idênticas a ela e entre si, antes de se dividir. Ela acontece num período definido do ciclo celular, a fase S (Capítulo 12), durante o qual a quantidade de DNA do núcleo dobra.

Proposição 11.2 (O princípio do molde)

Como as duas fitas de uma molécula de DNA são complementares — A diante de T, G diante de C —, cada fita carrega toda a informação necessária para reconstruir a outra. A replicação prossegue, portanto, separando as duas fitas e usando cada uma como molde sobre o qual uma nova fita complementar é montada, nucleotídeo por nucleotídeo.

Demonstração. Admitido neste nível. ∎

Exemplo 11.3 (Três desfechos concebíveis)

Dado o princípio do molde, três modos de distribuir as fitas velhas e as novas foram propostos nos anos 1950:

  • semiconservativo: cada molécula-filha guarda uma fita velha e recebe uma nova;
  • conservativo: a molécula original é mantida inteira e uma fita dupla inteiramente nova é construída ao lado dela;
  • dispersivo: segmentos velhos e novos se alternam ao longo de cada fita das duas filhas.

Os três não podem ser distinguidos olhando; podem, pesando.

11.2 O experimento de Meselson e Stahl

Proposição 11.4 (A replicação é semiconservativa)

Cada molécula-filha de DNA contém uma fita da molécula-mãe e uma fita recém-sintetizada.

Evidências. Meselson e Stahl (1958) cultivaram bactérias por muitas gerações num meio cujo único nitrogênio era o isótopo pesado 15^{15}N, de modo que todo o DNA delas ficou pesado. Depois transferiram as bactérias para um meio comum de 14^{14}N e coletaram amostras da cultura a cada geração (a cada vinte minutos). O DNA extraído de cada amostra foi centrifugado por muitas horas numa solução salina densa, em que uma molécula flutua no nível que corresponde à densidade dela, e fotografado sob luz ultravioleta: o DNA pesado e o leve formam bandas a uma distância mensurável uma da outra. Resultados: antes da transferência, uma banda pesada; depois de uma geração, uma única banda exatamente a meio caminho entre o pesado e o leve — toda molécula híbrida; depois de duas gerações, duas bandas de igual intensidade, uma híbrida e uma leve; depois de três, a banda leve três vezes a híbrida. O modelo conservativo prevê uma banda pesada e uma leve na geração um, nunca uma híbrida; o modelo dispersivo prevê uma banda única que fica mais leve a cada geração, sem nunca se dividir em duas. Só o modelo semiconservativo dá uma banda híbrida, depois híbrida mais leve nas proporções observadas. ∎

O resultado de Meselson e Stahl. DNA pesado antes da transferência; uma banda híbrida depois de uma geração em meio leve; híbrida e leve em quantidades iguais depois de duas; leve três vezes a híbrida depois de três. A espessura da banda representa a quantidade de DNA.
O resultado de Meselson e Stahl. DNA pesado antes da transferência; uma banda híbrida depois de uma geração em meio leve; híbrida e leve em quantidades iguais depois de duas; leve três vezes a híbrida depois de três. A espessura da banda representa a quantidade de DNA.
Um tubo de centrífuga sob luz ultravioleta: moléculas de DNA de duas densidades flutuaram até dois níveis do gradiente salino e aparecem como duas bandas. A posição delas mede a densidade; o brilho delas, a quantidade.
Um tubo de centrífuga sob luz ultravioleta: moléculas de DNA de duas densidades flutuaram até dois níveis do gradiente salino e aparecem como duas bandas. A posição delas mede a densidade; o brilho delas, a quantidade.

Exemplo 11.5 (Prever a quarta geração)

Depois de nn gerações em meio leve, as duas fitas pesadas originais continuam ali, uma em cada uma de duas moléculas híbridas; toda outra molécula é inteiramente leve. De 2n2^n moléculas, 2 são híbridas e 2n−22^n - 2 leves: na geração 4, 2 híbridas para 14 leves — uma banda leve sete vezes a híbrida, e a banda híbrida nunca desaparece, apenas enfraquece. As duas fitas originais são, na prática, imortais.

11.3 A maquinaria

Proposição 11.6 (Forquilhas de replicação)

A replicação começa em sítios definidos, as origens, onde as duas fitas são afastadas formando uma bolha. Em cada borda da bolha avança uma forquilha de replicação: uma enzima, a DNA polimerase, percorre cada fita aberta e acrescenta, um de cada vez, os nucleotídeos complementares a ela, encadeando-os na fita nova. As duas forquilhas de uma bolha viajam em sentidos opostos até encontrarem as forquilhas das bolhas vizinhas; o cromossomo bacteriano, um círculo único, tem uma origem e duas forquilhas; um cromossomo humano tem milhares de origens trabalhando ao mesmo tempo.

Demonstração. Admitido neste nível. ∎

Uma forquilha de replicação. As fitas da mãe (em azul) se separam; sobre cada uma, uma DNA polimerase constrói uma nova fita complementar (em vermelho). Atrás da forquilha ficam duas fitas duplas, cada uma com uma fita velha e uma nova.
Uma forquilha de replicação. As fitas da mãe (em azul) se separam; sobre cada uma, uma DNA polimerase constrói uma nova fita complementar (em vermelho). Atrás da forquilha ficam duas fitas duplas, cada uma com uma fita velha e uma nova.

Exemplo 11.7 (Velocidade e escala)

Uma forquilha bacteriana acrescenta cerca de 1000 nucleotídeos por segundo; uma forquilha humana, cerca de 50. O cromossomo da E. coli, com 4.6×1064.6 \times 10^{6} pares de bases, copiado por duas forquilhas a partir de uma origem, leva 4.6×106/(2×1000)≈2300 s4.6 \times 10^{6}/(2 \times 1000) \approx 2300\,\mathrm{s}, uns 40 minutos — a duração do ciclo celular da bactéria em meio rico. Uma célula humana, com 6.4×1096.4 \times 10^{9} pares de bases a copiar numa fase S de cerca de 8 horas, precisa dos milhares de origens dela: uma única forquilha levaria mais de dois anos.

Replicação de um cromossomo longo a partir de muitas origens. As bolhas se abrem nas origens, cada uma com duas forquilhas se afastando; elas crescem, se encontram e se fundem, deixando duas fitas duplas completas, cada uma metade velha (em azul) e metade nova (em vermelho).
Replicação de um cromossomo longo a partir de muitas origens. As bolhas se abrem nas origens, cada uma com duas forquilhas se afastando; elas crescem, se encontram e se fundem, deixando duas fitas duplas completas, cada uma metade velha (em azul) e metade nova (em vermelho).

Proposição 11.8 (Fidelidade)

A DNA polimerase pareia o nucleotídeo errado cerca de uma vez em 10510^5; ela confere cada nucleotídeo à medida que o acrescenta e remove a maior parte dos pareamentos errados na hora, e outras enzimas corrigem a maioria dos restantes logo atrás da forquilha. A taxa final de erro é de cerca de um por 10910^9 nucleotídeos: uma célula humana, ao copiar 6.4×1096.4 \times 10^{9} nucleotídeos, comete em média uma meia dúzia de erros por divisão. Os que escapam são as mutações, assunto do Capítulo 13.

Demonstração. Admitido neste nível. ∎

Método 11.9 (Cálculos de replicação)

  1. Tempo: comprimento a copiar (em pares de bases) dividido pela velocidade total de todas as forquilhas em atividade (número de forquilhas ×\times nucleotídeos por segundo por forquilha).
  2. Origens necessárias: comprimento total dividido pelo que uma origem (duas forquilhas) consegue copiar no tempo disponível.
  3. Erros: nucleotídeos copiados ×\times taxa de erro; lembre que uma célula copia as duas fitas, ou seja o dobro do número de pares de bases.
  4. Experimentos com isótopos: acompanhe as duas fitas originais; depois de nn gerações elas estão em 2 moléculas híbridas entre 2n2^n.

Observação 11.10 (Por que a estrutura e o mecanismo se encaixam)

Watson e Crick terminaram o artigo deles de 1953 observando que o pareamento “sugere imediatamente um possível mecanismo de cópia”. Meselson e Stahl mostraram que era o mecanismo real; a enzimologia que veio depois mostrou como. É um dos raros casos da biologia em que a forma de uma molécula, vista uma vez, ditou o processo que a usa.

11.4 Exercícios

Exercício 11.1 ★

Enuncie o princípio do molde e explique por que ele depende da complementaridade.

Solução

Solução de Exercício 11.1.

Cada fita serve de molde sobre o qual uma nova fita complementar é construída. Isso só funciona porque A se pareia com T e G com C: a sequência de uma fita fixa a da outra, de modo que uma fita sozinha carrega toda a informação.

Exercício 11.2 ★

Defina a replicação semiconservativa e contraste-a com o modelo conservativo.

Solução

Solução de Exercício 11.2.

Semiconservativa: cada molécula-filha guarda uma fita da mãe e ganha uma fita nova. Conservativa: a molécula-mãe permanece inteira e uma fita dupla completamente nova é construída ao lado dela.

Exercício 11.3 ★

Em que fase do ciclo celular acontece a replicação, e o que acontece com a quantidade de DNA por núcleo durante ela?

Solução

Solução de Exercício 11.3.

A fase S do ciclo celular; a quantidade de DNA por núcleo dobra.

Exercício 11.5 ★

Uma fita diz GATTACAGGC. Escreva a nova fita que uma polimerase constrói sobre ela.

Solução

Solução de Exercício 11.5.

CTAATGTCCG, base sob base.

Exercício 11.6 ★★

No experimento de Meselson e Stahl, o que o modelo conservativo preveria na geração 1, e o dispersivo na geração 2? Por que cada um deles falha?

Solução

Solução de Exercício 11.6.

Conservativo, geração 1: uma banda pesada e uma leve, sem híbrida — mas só se viu uma banda híbrida. Dispersivo, geração 2: uma banda única a um quarto do caminho do leve para o pesado — mas se viram duas bandas distintas. Cada modelo prevê bandas que não foram observadas.

Exercício 11.7 ★★

Preveja as bandas e as intensidades relativas delas na geração 5.

Solução

Solução de Exercício 11.7.

25=322^5 = 32 moléculas, 2 híbridas e 30 leves: uma banda leve quinze vezes a híbrida, sem banda pesada.

Exercício 11.8 ★★

Bactérias cultivadas em meio leve são transferidas para meio pesado. Descreva as bandas nas gerações 0, 1 e 2.

Solução

Solução de Exercício 11.8.

Geração 0: uma banda leve. Geração 1: uma banda híbrida. Geração 2: bandas híbrida e pesada de igual intensidade — a imagem espelhada do experimento original.

Exercício 11.9 ★★

Calcule o tempo que uma única forquilha humana, a 50 nucleotídeos por segundo, leva para copiar um cromossomo de 2.5×1082.5 \times 10^{8} pares de bases. Compare com uma fase S de 8 horas e conclua.

Solução

Solução de Exercício 11.9.

2.5×108/50=5×106 s2.5 \times 10^{8}/50 = 5 \times 10^{6}\,\mathrm{s}, cerca de 58 dias — muito mais que 8 horas. O cromossomo precisa ser copiado a partir de muitas origens ao mesmo tempo, cada uma abrindo duas forquilhas.

Exercício 11.10 ★★

Quantos nucleotídeos uma célula humana une numa fase S? A um erro por 10910^9, quantos erros ela comete?

Solução

Solução de Exercício 11.10.

As duas fitas de 3.2×1093.2 \times 10^{9} pares de bases, duas vezes: 6.4×1096.4 \times 10^{9} pares de bases, ou seja 6.4×1096.4 \times 10^{9} nucleotídeos novos unidos (um por par de bases copiado). A 10−910^{-9} por nucleotídeo, cerca de 6 erros.

Exercício 11.11 ★★

Por que as duas forquilhas de uma bolha precisam se mover em sentidos opostos? O que acontece quando duas bolhas vizinhas se encontram?

Solução

Solução de Exercício 11.11.

Abrir uma bolha expõe molde dos dois lados da origem; cada forquilha copia se afastando da origem, de modo que as duas vão em sentidos opostos e juntas cobrem toda a região. Quando duas bolhas se encontram, as forquilhas delas se fundem e as fitas-filhas se juntam ponta a ponta em moléculas contínuas.

Exercício 11.12 ★★★

Uma substância química bloqueia a DNA polimerase. Preveja o efeito dela sobre uma cultura de bactérias, sobre uma ferida que está cicatrizando e sobre um neurônio que não se divide mais. Que efeito sugere um uso na medicina?

Solução

Solução de Exercício 11.12.

As bactérias param de se dividir (sem replicação, sem divisão). A ferida para de cicatrizar, já que o reparo dela precisa de divisões celulares. O neurônio não é afetado: ele não replica mais o DNA dele. Um medicamento que interrompe as células que se dividem depressa poupando as que não se dividem sugere um tratamento contra bactérias ou contra células cancerosas em divisão.

Exercício 11.13 ★★★

No experimento de Meselson e Stahl a banda híbrida nunca desaparece. Explique, e calcule a fração de moléculas híbridas depois de 10 gerações.

Solução

Solução de Exercício 11.13.

As duas fitas originais nunca são destruídas: a cada geração cada uma está de novo pareada com uma nova fita leve, de modo que existem sempre exatamente duas moléculas híbridas. Depois de 10 gerações: 2/210=2/1024≈0.2%2/2^{10} = 2/1024 \approx 0.2\% — presente, mas fraca demais para ser vista.

Exercício 11.14 ★★★

Uma polimerase sem a atividade de conferência dela comete um erro em 10510^5. Calcule os erros por divisão de uma célula humana sem conferência, e explique por que uma linhagem de células assim não sobreviveria a muitas divisões.

Solução

Solução de Exercício 11.14.

6.4×109×10−5=64 0006.4 \times 10^{9} \times 10^{-5} = 64\,000 erros por divisão. Com vinte mil genes, centenas de genes seriam danificados a cada divisão; depois de algumas divisões as células carregariam defeitos letais e a linhagem se extinguiria.

Exercício 11.15 ★★★

Explique por que uma bactéria em meio rico consegue se dividir a cada 20 minutos, embora copiar o cromossomo dela leve 40 minutos. (Dica: pense em quando a rodada seguinte de replicação pode começar.)

Solução

Solução de Exercício 11.15.

Uma nova rodada de replicação começa na origem antes de a rodada anterior ter terminado: o cromossomo carrega vários pares de forquilhas encaixados ao mesmo tempo. Cada divisão recebe então um cromossomo já parcialmente copiado para a seguinte, e as divisões podem se seguir umas às outras mais depressa do que leva uma cópia isolada.

11.5 Problema: pesar uma molécula para vê-la copiar

Problema 11.1

Problema de fim de semana — o experimento de Meselson e Stahl reconstruído: os isótopos, os três modelos e as previsões deles, as bandas que decidiram, e as forquilhas que copiam um cromossomo em quarenta minutos

O nitrogênio comum é o 14^{14}N; o isótopo pesado 15^{15}N é 7% mais pesado por átomo. O nitrogênio é cerca de 16% da massa do DNA. Bactérias cultivadas por catorze gerações em meio de 15^{15}N são transferidas para meio de 14^{14}N no instante zero e se dividem a cada 20 minutos.

Parte I — Pesado e leve.

  1. Em que fração o DNA inteiramente pesado é mais denso que o DNA leve? (Suponha que a densidade acompanhe a massa.) Por que uma diferença tão pequena basta para separar as bandas?
  2. Por que as bactérias foram cultivadas por catorze gerações em meio pesado antes da transferência, e não por uma ou duas?
  3. Uma molécula híbrida tem uma fita pesada e uma leve. Onde ela flutua em relação às bandas pesada e leve?
  4. Explique por que o DNA precisa ser extraído de um número grande de bactérias para as bandas ficarem visíveis.
  5. Como os experimentadores podiam ter certeza de que a transferência para o meio leve não alterava, ela mesma, o DNA das bactérias?

Parte II — Três previsões. Para cada modelo, dê as bandas (posição e quantidade relativa) esperadas depois de uma e depois de duas gerações.

  1. Modelo semiconservativo.
  2. Modelo conservativo.
  3. Modelo dispersivo.
  4. Depois de uma geração aparece uma banda única a meio caminho entre o pesado e o leve. Que modelo é eliminado de imediato, e que dois restam?
  5. Depois de duas gerações há duas bandas, híbrida e leve, de igual intensidade. Que modelo sobrevive, e por que o outro falha?

Parte III — Contar as fitas.

  1. Depois de nn gerações, quantas moléculas de DNA descendem de uma molécula original, e quantas delas contêm uma fita pesada original?
  2. Calcule a razão leve : híbrida nas gerações 3, 4 e 6.
  3. Em que geração a banda híbrida cai abaixo de 5% do DNA?
  4. Os experimentadores aqueceram o DNA híbrido para separar as duas fitas dele e centrifugaram as fitas simples. Preveja as bandas. Que modelo isso testa?
  5. Explique como o mesmo experimento, feito no sentido inverso (do leve para o pesado), confirmaria a conclusão.

Parte IV — As forquilhas. O cromossomo bacteriano é um círculo de 4.6×1064.6 \times 10^{6} pares de bases com uma origem; cada forquilha acrescenta 1000 nucleotídeos por segundo.

  1. Calcule o tempo necessário para copiar o cromossomo com as duas forquilhas dele.
  2. Com uma forquilha só, quanto tempo levaria? Por que uma origem com duas forquilhas é o mínimo para um círculo?
  3. Uma célula humana copia 6.4×1096.4 \times 10^{9} pares de bases em 8 horas com forquilhas de 50 nucleotídeos por segundo. Qual é o número mínimo de origens que precisam disparar, se todas começarem ao mesmo tempo?
  4. A um erro por 10910^9 nucleotídeos, quantos erros a bactéria comete por replicação, e a célula humana? Por que o número humano não é proporcionalmente pior para o organismo?
  5. Enuncie o resultado: o que as bandas de duas gerações provaram, e o tempo de que as duas forquilhas precisam para copiar o cromossomo bacteriano — comparado com o tempo de geração da bactéria.
Solução

Solução de Problema 11.1.

1. O nitrogênio é 16% da massa e é 7% mais pesado: 0.16×0.07≈1.1%0.16 \times 0.07 \approx 1.1\%. O método do gradiente separa densidades que diferem por uma fração de por cento, de modo que 1% dá bandas bem separadas.

2. Para que praticamente todo o DNA, e não apenas metade ou três quartos, fosse pesado: depois de 14 gerações resta menos de uma parte em 10410^4 das fitas leves originais.

3. Exatamente a meio caminho entre as duas bandas: a densidade dela é a média.

4. Uma única bactéria tem alguns femtogramas de DNA; a fotografia precisa de micrograma, logo de bilhões de células.

5. Mantendo uma cultura em meio pesado como controle e verificando que a banda dela continuava pesada, e verificando a banda leve de bactérias cultivadas em meio leve o tempo todo.

6. Semiconservativo: geração 1, uma banda híbrida; geração 2, bandas híbrida e leve, iguais.

7. Conservativo: geração 1, bandas pesada e leve, iguais; geração 2, uma pesada para três leves.

8. Dispersivo: geração 1, uma banda na posição híbrida; geração 2, uma banda a um quarto do caminho do leve para o pesado.

9. O modelo conservativo, que previa nenhuma banda híbrida, é eliminado. O semiconservativo e o dispersivo preveem ambos a banda híbrida única e permanecem.

10. O semiconservativo sobrevive: só ele prevê duas bandas separadas. O modelo dispersivo prevê uma banda única que fica mais leve, sem nunca se dividir.

11. 2n2^n moléculas, das quais exatamente 2 carregam uma fita original.

12. Leve : híbrida =(2n−2):2= (2^n - 2) : 2: geração 3, 3:13:1; geração 4, 7:17:1; geração 6, 31:131:1.

13. A fração híbrida 2/2n<0.052/2^n < 0.05 quando 2n>402^n > 40: a partir da geração 6 (2/64≈3%2/64 \approx 3\%).

14. Duas bandas, uma pesada e uma leve, em quantidades iguais: uma molécula híbrida é uma fita pesada mais uma fita leve. Isso testa o modelo dispersivo, que prevê que toda fita simples tenha densidade intermediária, e o elimina de forma independente.

15. Partindo do leve, uma geração em meio pesado dá uma banda híbrida e duas gerações dão híbrida mais pesada: o mesmo padrão espelhado, mostrando que o resultado não depende de qual isótopo é o “velho”.

16. 4.6×106/(2×1000)=2300 s4.6 \times 10^{6}/(2 \times 1000) = 2300\,\mathrm{s}, cerca de 38 minutos.

17. 77 minutos. Num círculo, as duas fitas ficam expostas dos dois lados de qualquer abertura; duas forquilhas saindo de uma origem em sentidos opostos é o jeito mais simples de cobrir o círculo inteiro.

18. Uma origem copia 2×50×8×3600=2.88×1062 \times 50 \times 8 \times 3600 = 2.88 \times 10^{6} pares de bases em 8 horas; 6.4×109/2.88×106≈22006.4 \times 10^{9}/2.88 \times 10^{6} \approx 2200 origens no mínimo absoluto (na realidade dezenas de milhares, disparando em momentos diferentes).

19. Bactéria: 9.2×106×10−9≈0.019.2 \times 10^{6} \times 10^{-9} \approx 0.01 erro por replicação; célula humana: cerca de 6. A maior parte do genoma humano não são genes, de modo que a maioria dos erros cai onde não muda nada, e a célula tem duas cópias de cada gene.

20. As duas bandas da geração dois — híbrida e leve em quantidades iguais — provaram que a replicação é semiconservativa; as duas forquilhas copiam o cromossomo bacteriano em cerca de 38 minutos, aproximadamente o tempo de geração da bactéria, de modo que a cópia marca o ritmo da divisão.

Termos definidos neste capítulo

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