---
title: "A replicação do DNA"
book: "Biologia do ensino médio"
subject: biology
language: pt
chapter: 11
exercises: 15
source: https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/11-a-replicacao-do-dna
---

# Capítulo 11 — A 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](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/2-a-celula-a-unidade-comum-da-vida#def-g10-cells-common-unit-cell) novas recebe uma cópia completa dos dois metros de [DNA](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) que os capítulos anteriores descreveram como o texto da [célula](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/2-a-celula-a-unidade-comum-da-vida#def-g10-cells-common-unit-cell). 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](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/2-a-celula-a-unidade-comum-da-vida#def-g10-cells-common-unit-cell) fabrica, a partir de uma molécula de [DNA](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) 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](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/12-o-ciclo-celular-e-a-mitose#ch-g11-cell-cycle-mitosis)), durante o qual a quantidade de [DNA](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) do [núcleo](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/2-a-celula-a-unidade-comum-da-vida#def-g10-cells-common-unit-organelle) dobra.

**Proposição 11.2 (O princípio do molde).**

Como as duas fitas de uma molécula de [DNA](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) 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](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-nucleotide) por [nucleotídeo](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-nucleotide).

**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](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) 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 $^{15}$N, de modo que todo o [DNA](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) delas ficou pesado. Depois transferiram as bactérias para um meio comum de $^{14}$N e coletaram amostras da cultura a cada geração (a cada vinte minutos). O [DNA](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) 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](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) 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.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-2/g11-dna-replication/fig-57832c188c5e.svg)

*O resultado de Meselson e Stahl. [DNA](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) 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](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information).*

![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.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-2/g11-dna-replication/img-4c7134b5c940.jpg)

*Um tubo de centrífuga sob luz ultravioleta: moléculas de [DNA](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) 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 $n$ 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 $2^n$ moléculas, 2 são híbridas e $2^n - 2$ 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](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/4-o-metabolismo-celular#def-g10-cell-metabolism-metabolism), a *DNA polimerase*, percorre cada fita aberta e acrescenta, um de cada vez, os [nucleotídeos](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-nucleotide) 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](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) bacteriano, um círculo único, tem uma origem e duas forquilhas; um [cromossomo](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) 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.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-2/g11-dna-replication/fig-da782d2b7755.svg)

*Uma [forquilha de replicação](#prop-g11-dna-replication-forks). As fitas da mãe (em azul) se separam; sobre cada uma, uma [DNA polimerase](#prop-g11-dna-replication-forks) 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](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-nucleotide) por segundo; uma forquilha humana, cerca de 50. O [cromossomo](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) da *E. coli*, com $4.6 \times 10^{6}$ pares de bases, copiado por duas forquilhas a partir de uma origem, leva $4.6 \times 10^{6}/(2 \times
1000) \approx 2300\,\mathrm{s}$, uns 40 minutos — a duração do ciclo celular da bactéria em meio rico. Uma [célula](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/2-a-celula-a-unidade-comum-da-vida#def-g10-cells-common-unit-cell) humana, com $6.4 \times 10^{9}$ 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).](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-2/g11-dna-replication/fig-3c022637c5e2.svg)

*Replicação de um [cromossomo](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) 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](#prop-g11-dna-replication-forks) pareia o [nucleotídeo](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-nucleotide) errado cerca de uma vez em $10^5$; ela confere cada [nucleotídeo](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-nucleotide) à medida que o acrescenta e remove a maior parte dos pareamentos errados na hora, e outras [enzimas](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/4-o-metabolismo-celular#def-g10-cell-metabolism-metabolism) corrigem a maioria dos restantes logo atrás da forquilha. A taxa final de erro é de cerca de um por $10^9$ [nucleotídeos](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-nucleotide): uma [célula](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/2-a-celula-a-unidade-comum-da-vida#def-g10-cells-common-unit-cell) humana, ao copiar $6.4 \times 10^{9}$ [nucleotídeos](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-nucleotide), comete em média uma meia dúzia de erros por divisão. Os que escapam são as *mutações*, assunto do [Capítulo 13](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/13-mutacoes-e-variacao-genetica#ch-g11-mutations).

**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](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-nucleotide) por segundo por forquilha).
2. *Origens necessárias* : comprimento total dividido pelo que uma origem (duas forquilhas) consegue copiar no tempo disponível.
3. *Erros* : [nucleotídeos](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-nucleotide) copiados $\times$ taxa de erro; lembre que uma [célula](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/2-a-celula-a-unidade-comum-da-vida#def-g10-cells-common-unit-cell) 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 $n$ gerações elas estão em 2 moléculas híbridas entre $2^n$ .

**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](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#prop-g10-universal-dna-helix).

**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 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](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) por [núcleo](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/2-a-celula-a-unidade-comum-da-vida#def-g10-cells-common-unit-organelle) durante ela?

**Solução de Exercício 11.3.**

A fase S do ciclo celular; a quantidade de [DNA](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) por [núcleo](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/2-a-celula-a-unidade-comum-da-vida#def-g10-cells-common-unit-organelle) dobra.

**Exercício 11.4 ★.**

O que a [DNA polimerase](#prop-g11-dna-replication-forks) faz? O que é uma [forquilha de replicação](#prop-g11-dna-replication-forks)?

**Solução de Exercício 11.4.**

A [DNA polimerase](#prop-g11-dna-replication-forks) acrescenta a uma fita em crescimento os [nucleotídeos](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-nucleotide) complementares ao molde, um de cada vez. Uma [forquilha de replicação](#prop-g11-dna-replication-forks) é o ponto móvel em que as fitas da mãe são separadas e as duas fitas novas estão sendo construídas.

**Exercício 11.5 ★.**

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

**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 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 de Exercício 11.7.**

$2^5 = 32$ 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 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](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-nucleotide) por segundo, leva para copiar um [cromossomo](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) de $2.5 \times 10^{8}$ pares de bases. Compare com uma fase S de 8 horas e conclua.

**Solução de Exercício 11.9.**

$2.5 \times 10^{8}/50 = 5 \times 10^{6}\,\mathrm{s}$, cerca de 58 dias — muito mais que 8 horas. O [cromossomo](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) precisa ser copiado a partir de muitas origens ao mesmo tempo, cada uma abrindo duas forquilhas.

**Exercício 11.10 ★★.**

Quantos [nucleotídeos](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-nucleotide) uma [célula](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/2-a-celula-a-unidade-comum-da-vida#def-g10-cells-common-unit-cell) humana une numa fase S? A um erro por $10^9$, quantos erros ela comete?

**Solução de Exercício 11.10.**

As duas fitas de $3.2 \times 10^{9}$ pares de bases, duas vezes: $6.4 \times 10^{9}$ pares de bases, ou seja $6.4 \times 10^{9}$ [nucleotídeos](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-nucleotide) novos unidos (um por par de bases copiado). A $10^{-9}$ por [nucleotídeo](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-nucleotide), 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 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](#prop-g11-dna-replication-forks). 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 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](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) dele. Um medicamento que interrompe as [células](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/2-a-celula-a-unidade-comum-da-vida#def-g10-cells-common-unit-cell) que se dividem depressa poupando as que não se dividem sugere um tratamento contra bactérias ou contra [células](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/2-a-celula-a-unidade-comum-da-vida#def-g10-cells-common-unit-cell) 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 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: $2/2^{10} = 2/1024
\approx 0.2\%$ — presente, mas fraca demais para ser vista.

**Exercício 11.14 ★★★.**

Uma polimerase sem a atividade de conferência dela comete um erro em $10^5$. Calcule os erros por divisão de uma [célula](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/2-a-celula-a-unidade-comum-da-vida#def-g10-cells-common-unit-cell) humana sem conferência, e explique por que uma linhagem de [células](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/2-a-celula-a-unidade-comum-da-vida#def-g10-cells-common-unit-cell) assim não sobreviveria a muitas divisões.

**Solução de Exercício 11.14.**

$6.4 \times 10^{9} \times 10^{-5} = 64\,000$ erros por divisão. Com vinte mil [genes](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-gene), centenas de [genes](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-gene) seriam danificados a cada divisão; depois de algumas divisões as [células](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/2-a-celula-a-unidade-comum-da-vida#def-g10-cells-common-unit-cell) 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](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) dela leve 40 minutos. (Dica: pense em quando a rodada seguinte de replicação pode começar.)

**Solução de Exercício 11.15.**

Uma nova rodada de replicação começa na origem antes de a rodada anterior ter terminado: o [cromossomo](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) carrega vários pares de forquilhas encaixados ao mesmo tempo. Cada divisão recebe então um [cromossomo](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) 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 $^{14}$N; o isótopo pesado $^{15}$N é 7% mais pesado por átomo. O nitrogênio é cerca de 16% da massa do [DNA](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information). Bactérias cultivadas por catorze gerações em meio de $^{15}$N são transferidas para meio de $^{14}$N no instante zero e se dividem a cada 20 minutos.

**Parte I — Pesado e leve.**

1. Em que fração o [DNA](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) inteiramente pesado é mais denso que o [DNA](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) 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](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) 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](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) 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.

6. Modelo semiconservativo.
7. Modelo conservativo.
8. Modelo dispersivo.
9. 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?
10. 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.**

11. Depois de $n$ gerações, quantas moléculas de [DNA](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) descendem de uma molécula original, e quantas delas contêm uma fita pesada original?
12. Calcule a razão leve : híbrida nas gerações 3, 4 e 6.
13. Em que geração a banda híbrida cai abaixo de 5% do [DNA](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) ?
14. Os experimentadores aqueceram o [DNA](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) híbrido para separar as duas fitas dele e centrifugaram as fitas simples. Preveja as bandas. Que modelo isso testa?
15. Explique como o mesmo experimento, feito no sentido inverso (do leve para o pesado), confirmaria a conclusão.

**Parte IV — As forquilhas.** O [cromossomo](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) bacteriano é um círculo de $4.6 \times 10^{6}$ pares de bases com uma origem; cada forquilha acrescenta 1000 [nucleotídeos](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-nucleotide) por segundo.

16. Calcule o tempo necessário para copiar o [cromossomo](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) com as duas forquilhas dele.
17. Com uma forquilha só, quanto tempo levaria? Por que uma origem com duas forquilhas é o mínimo para um círculo?
18. Uma [célula](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/2-a-celula-a-unidade-comum-da-vida#def-g10-cells-common-unit-cell) humana copia $6.4 \times 10^{9}$ pares de bases em 8 horas com forquilhas de 50 [nucleotídeos](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-nucleotide) por segundo. Qual é o número mínimo de origens que precisam disparar, se todas começarem ao mesmo tempo?
19. A um erro por $10^9$ [nucleotídeos](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-nucleotide) , quantos erros a bactéria comete por replicação, e a [célula](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/2-a-celula-a-unidade-comum-da-vida#def-g10-cells-common-unit-cell) humana? Por que o número humano não é proporcionalmente pior para o organismo?
20. Enuncie o resultado: o que as bandas de duas gerações provaram, e o tempo de que as duas forquilhas precisam para copiar o [cromossomo](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) bacteriano — comparado com o tempo de geração da bactéria.

**Solução de Problema 11.1.**

**1.** O nitrogênio é 16% da massa e é 7% mais pesado: $0.16 \times 0.07 \approx 1.1\%$. 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](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information), e não apenas metade ou três quartos, fosse pesado: depois de 14 gerações resta menos de uma parte em $10^4$ 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](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information); a fotografia precisa de micrograma, logo de bilhões de [células](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/2-a-celula-a-unidade-comum-da-vida#def-g10-cells-common-unit-cell).

**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.** $2^n$ moléculas, das quais exatamente 2 carregam uma fita original.

**12.** Leve : híbrida $= (2^n - 2) : 2$: geração 3, $3:1$; geração 4, $7:1$; geração 6, $31:1$.

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

**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.** $4.6 \times 10^{6}/(2 \times 1000) = 2300\,\mathrm{s}$, 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 $2 \times 50 \times 8 \times 3600 =
2.88 \times 10^{6}$ pares de bases em 8 horas; $6.4 \times 10^{9}/2.88 \times 10^{6}
\approx 2200$ origens no mínimo absoluto (na realidade dezenas de milhares, disparando em momentos diferentes).

**19.** Bactéria: $9.2 \times 10^{6} \times 10^{-9} \approx 0.01$ erro por replicação; [célula](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/2-a-celula-a-unidade-comum-da-vida#def-g10-cells-common-unit-cell) humana: cerca de 6. A maior parte do genoma humano não são [genes](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-gene), de modo que a maioria dos erros cai onde não muda nada, e a [célula](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/2-a-celula-a-unidade-comum-da-vida#def-g10-cells-common-unit-cell) tem duas cópias de cada [gene](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-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](https://one-course.com/books/biology/2/pt/chapter/3-o-dna-uma-molecula-genetica-universal#def-g10-universal-dna-information) bacteriano em cerca de 38 minutos, aproximadamente o tempo de geração da bactéria, de modo que a cópia marca o ritmo da divisão.