Biology · Livro 3 · Bachelor Year 1

Biologia universitária — 1.º ano

Biologia universitária — 1.º ano · Bachelor Year 1

17Genomas de células e de vírus

Dois metros de DNA estão dobrados dentro de um núcleo de seis micrômetros de diâmetro, e dobrados de tal modo que qualquer um de vinte mil genes pode ser encontrado e lido em poucos minutos. Uma bactéria dobra um milímetro e meio numa célula mil vezes menor, e o copia a cada vinte minutos. Um vírus carrega alguns milhares de letras numa casca de proteína e as lê com uma célula que não é dele. Este capítulo descreve o genoma — o conjunto do DNA de um organismo — como objeto físico: como o DNA das bactérias, das células eucarióticas, das organelas e dos vírus é organizado, o que ele contém além dos genes, e por que a quantidade dele diz tão pouco sobre o organismo que o carrega.

17.1 O genoma bacteriano

Definição 17.1 (Genoma, cromossomo, nucleoide)

O genoma de uma célula é a totalidade do DNA dela: a informação para cada proteína e cada RNA que ela consegue fabricar, e as sequências que controlam quando eles são fabricados. Um cromossomo é uma molécula de DNA com as proteínas que a organizam. Uma bactéria em geral tem um só, circular, de um a dez milhões de pares de bases (a E. coli: 4.6×1064.6 \times 10^{6}, 1.5 mm1.5\,\mathrm{mm} de comprimento), dobrado numa região do citoplasma, o nucleoide, sem membrana em volta. Além do cromossomo, muitas bactérias carregam plasmídeos: círculos pequenos, de alguns milhares a algumas centenas de milhares de pares, em uma a centenas de cópias, que se replicam por conta própria e carregam genes opcionais — resistência a antibióticos, toxinas, a maquinaria para se transferirem a outra célula.

Proposição 17.2 (Como uma bactéria dobra o cromossomo dela)

Um DNA circular cujas extremidades não podem girar pode ser torcido como um elástico: é o superenrolamento. Enzimas chamadas topoisomerases cortam, passam e reselam as fitas para acrescentar ou remover voltas; a girase usa ATP para introduzir super-hélices negativas, que desenrolam a hélice e a tornam ao mesmo tempo mais compacta e mais fácil de abrir. O cromossomo da E. coli é organizado em umas cinquenta alças, cada uma superenrolada de forma independente e ancorada num eixo proteico, de modo que os 1.5 mm1.5\,\mathrm{mm} ocupam um nucleoide de cerca de um micrômetro — uma compactação de mil vezes — e ao mesmo tempo qualquer alça pode ser desenrolada para leitura ou cópia sem perturbar as demais. Pequenas proteínas básicas (semelhantes a histonas, embora não aparentadas a elas) dobram e interligam o DNA por toda parte.

Um cromossomo circular relaxado, superenrolado e organizado em alças. O superenrolamento compacta a molécula e armazena a energia que ajuda a abri-la; as alças permitem desenrolar uma região de cada vez.
Um cromossomo circular relaxado, superenrolado e organizado em alças. O superenrolamento compacta a molécula e armazena a energia que ajuda a abri-la; as alças permitem desenrolar uma região de cada vez.

Exemplo 17.3 (Um genoma denso)

Dos 4.6 Mb4.6\,\mathrm{Mb} do cromossomo da E. coli, 88 %88\,\% codificam proteína: uns 43004300 genes de cerca de 10001000 pares cada, encaixados um atrás do outro com uma centena de pares entre eles, muitos agrupados em óperons transcritos juntos (Capítulo 20). Um plasmídeo de 5 kb5\,\mathrm{kb} pode carregar três genes e existir em cinquenta cópias; o gene de resistência que ele carrega pode se espalhar pelas bactérias de uma ala de hospital em poucas semanas, por conjugação, mais rápido do que qualquer mutação poderia surgir.

17.2 O genoma eucariótico: a cromatina

Definição 17.4 (Nucleossomo, cromatina)

Num núcleo eucariótico o DNA está enrolado em proteínas: 147 147\, pares de bases dão 1.7 volta em torno de um octâmero de oito histonas (duas de cada uma das H2A, H2B, H3 e H4, proteínas pequenas ricas em lisina e arginina que neutralizam os fosfatos), formando um nucleossomo de 11 nm11\,\mathrm{nm} de diâmetro; os nucleossomos se seguem uns aos outros a cada 200 200\, pares, mais ou menos, como contas num colar, com uma quinta histona, a H1, selando cada conta. Essa cromatina se dobra ainda mais: numa fibra de 30 nm30\,\mathrm{nm}, em alças de dezenas de milhares de pares ancoradas num arcabouço proteico e — na divisão — nos bastões compactos do cromossomo metafásico, dez mil vezes mais curtos que o DNA nu. A eucromatina é a forma mais frouxa, rica em genes e transcrita da interfase; a heterocromatina, a forma condensada e pobre em genes que permanece compacta (em torno dos centrômeros, nas extremidades e num cromossomo X desligado).

Níveis de empacotamento do DNA eucariótico, da hélice ao cromossomo metafásico. Cada nível multiplica a compactação; o conjunto chega a dez mil.
Níveis de empacotamento do DNA eucariótico, da hélice ao cromossomo metafásico. Cada nível multiplica a compactação; o conjunto chega a dez mil.
À esquerda: os cromossomos de uma célula humana, espalhados a partir de uma célula parada na metáfase. À direita: os mesmos cromossomos ordenados por tamanho e por bandeamento num cariótipo — vinte e dois pares e XY, quarenta e seis ao todo. Cariótipo: National Human Genome Research Institute, domínio público.
À esquerda: os cromossomos de uma célula humana, espalhados a partir de uma célula parada na metáfase. À direita: os mesmos cromossomos ordenados por tamanho e por bandeamento num cariótipo — vinte e dois pares e XY, quarenta e seis ao todo. Cariótipo: National Human Genome Research Institute, domínio público.
À esquerda: os cromossomos de uma célula humana, espalhados a partir de uma célula parada na metáfase. À direita: os mesmos cromossomos ordenados por tamanho e por bandeamento num cariótipo — vinte e dois pares e XY, quarenta e seis ao todo. Cariótipo: National Human Genome Research Institute, domínio público.

Definição 17.5 (Cariótipo, centrômero, telômero)

O cariótipo é o conjunto dos cromossomos de uma célula, ordenados por tamanho e por padrão de bandeamento: os humanos têm 23 pares (22 autossomos e XY ou XX), 6.4×1096.4 \times 10^{9} pares de bases ao todo, 2.2 m2.2\,\mathrm{m}; o maior cromossomo contém 250 Mb250\,\mathrm{Mb}, e o menor 50 50\,. Cada cromossomo linear carrega um centrômero, a região estrangulada em que as duas cópias permanecem unidas depois da replicação e em que o fuso se prende (Capítulo 18), e dois telômeros, sequências repetidas nas extremidades que as protegem de serem tomadas por DNA quebrado e de encurtarem a cada replicação.

Proposição 17.6 (O tamanho do genoma não mede a complexidade)

organismogenoma (Mb)genes codificadores de proteína
E. coli4.643004300
levedura1260006000
mosca-das-frutas14014 00014\,000
ser humano320020 00020\,000
milho230040 00040\,000
peixe pulmonado130 000130\,000≈20 000\approx20\,000
Paris japonica (um lírio)150 000150\,000≈30 000\approx30\,000

O tamanho do genoma varia mil vezes entre os eucariotos, sem relação com o número de genes nem com a complexidade do organismo (é o paradoxo do valor C): um peixe pulmonado carrega quarenta vezes o DNA de um ser humano e nenhum gene a mais. A diferença não está nos genes, e sim no DNA entre eles.

17.3 O que um genoma contém

Definição 17.7 (Anatomia de um gene)

Um gene é um trecho de DNA transcrito num RNA funcional — em geral um mensageiro para uma proteína. Um gene eucariótico codificador de proteína compreende um promotor, a sequência a montante em que a transcrição começa e é controlada; os éxons, as partes mantidas na mensagem madura; os íntrons, as partes transcritas e depois recortadas (Capítulo 19); as regiões não traduzidas de cada extremidade da mensagem; e um terminador. Um gene humano tem em média 27 kb27\,\mathrm{kb} com oito éxons que somam 1.5 kb1.5\,\mathrm{kb}: dezenove vigésimos de um gene típico são íntron. Os genes bacterianos não têm íntrons.

Um gene eucariótico: um promotor, éxons (mantidos) alternados com íntrons (removidos depois da transcrição). Desenhado numa escala comprimida — num gene real os íntrons seriam vinte vezes mais longos que os éxons.
Um gene eucariótico: um promotor, éxons (mantidos) alternados com íntrons (removidos depois da transcrição). Desenhado numa escala comprimida — num gene real os íntrons seriam vinte vezes mais longos que os éxons.

Proposição 17.8 (O censo do genoma humano)

Dos 3.2 Gb3.2\,\mathrm{Gb}: cerca de 1.5 %1.5\,\% codificam proteína; 25 %25\,\% são íntron; 45 %45\,\% são os restos de elementos transponíveis — sequências que se copiam para novos lugares, quase todas há muito mortas (só o elemento Alu, de 300 bp300\,\mathrm{bp}, está presente em um milhão de cópias, um décimo do genoma); 8 %8\,\% são repetições curtas em tandem (o DNA satélite, nos centrômeros e nos telômeros); o restante é sequência não codificante única, que inclui os promotores, os intensificadores e os genes de RNA que controlam a expressão. Muitos genes pertencem a famílias surgidas por duplicação (as globinas, os receptores olfativos — um milhar deles), e o genoma abriga milhares de pseudogenes, cópias mortas que já não funcionam. Um genoma não é um projeto, e sim um registro.

Do que o genoma humano é feito. Os éxons que codificam proteína são uma lasca; metade do genoma são os destroços de elementos que um dia se copiaram.
Do que o genoma humano é feito. Os éxons que codificam proteína são uma lasca; metade do genoma são os destroços de elementos que um dia se copiaram.

Exemplo 17.9 (Ler o tamanho de um genoma)

Um genoma de 4.6 Mb4.6\,\mathrm{Mb} sem íntrons e com poucas repetições contém 43004300 genes; um de 3200 Mb3200\,\mathrm{Mb} com íntrons longos e metade do comprimento em repetições contém 20 00020\,000; um de 130 000 Mb130\,000\,\mathrm{Mb} contém os mesmos vinte mil. O tamanho mede quanto se acumulou no DNA não codificante de uma linhagem, e com que eficiência isso foi removido, e não quanto o organismo faz.

17.4 Genomas de organelas e vírus

Definição 17.10 (Genomas de organelas)

As mitocôndrias e os cloroplastos guardam um resquício do cromossomo dos ancestrais bacterianos deles (Capítulo 6): um pequeno círculo — 16.6 kb16.6\,\mathrm{kb} e 37 genes nas mitocôndrias humanas, 120 to 160 kb120\text{ to }160\,\mathrm{kb} e cerca de 100 genes nos cloroplastos — em muitas cópias por organela, que codifica algumas das proteínas deles e os RNAs dos ribossomos deles. As demais proteínas deles vêm de genes nucleares. Na maioria dos animais o genoma mitocondrial é herdado apenas da mãe, com o citoplasma do óvulo.

Definição 17.11 (Vírus)

Um vírus é um genoma dentro de uma casca de proteína, o capsídeo — às vezes envolvido por uma membrana, o envelope, tomada de uma célula hospedeira —, que só se reproduz dentro de uma célula, usando os ribossomos, a energia e os precursores dela. O genoma dele pode ser DNA ou RNA, de fita dupla ou simples, linear ou circular, uma única molécula ou várias: de 5 kb5\,\mathrm{kb} (uns poucos genes) a 1.2 Mb1.2\,\mathrm{Mb} (um milhar, nos vírus gigantes). Fora de uma célula um vírus nada faz: ele não é uma célula, não tem metabolismo, e só está vivo no sentido de que carrega informação e evolui. Os bacteriófagos são os vírus das bactérias.

Bacteriófagos presos a uma bactéria: cabeças poliédricas que contêm o DNA, e caudas pelas quais ele será injetado. Uma única célula liberará uma centena de fagos novos em meia hora.
Bacteriófagos presos a uma bactéria: cabeças poliédricas que contêm o DNA, e caudas pelas quais ele será injetado. Uma única célula liberará uma centena de fagos novos em meia hora.

Proposição 17.12 (Os dois ciclos do fago λ\lambda)

O fago λ\lambda injeta os 48.5 kb48.5\,\mathrm{kb} de DNA dele (Capítulo 11) na E. coli, onde ele se circulariza. Dois destinos se seguem. No ciclo lítico os genes do fago são transcritos pela polimerase do hospedeiro, o DNA dele é replicado cem vezes, as proteínas do capsídeo são fabricadas e montadas, o DNA é empacotado nelas, e uma enzima dissolve a parede: a célula estoura, liberando uma centena de fagos, quarenta minutos depois da infecção. No ciclo lisogênico o DNA do fago é inserido no cromossomo do hospedeiro e silenciado por um repressor de fabricação própria: o prófago é copiado junto com o cromossomo por gerações, invisível, até que um dano ao DNA do hospedeiro suspenda a repressão e o ciclo lítico recomece. A escolha é um interruptor molecular, um dos primeiros que se compreenderam (Capítulo 20).

O fago : ciclo lítico (vermelho) ou lisogênico (verde), e a indução que transforma o segundo no primeiro.
O fago λ\lambda: ciclo lítico (vermelho) ou lisogênico (verde), e a indução que transforma o segundo no primeiro.

Exemplo 17.13 (Vírus com genomas de RNA)

O vírus da gripe carrega oito segmentos de RNA de fita simples e uma polimerase própria para copiá-los, já que as células não têm enzima que copie RNA; a polimerase dele comete um erro a cada 10 00010\,000 bases e o vírus muda a cada temporada. Um retrovírus (o HIV) carrega RNA e uma transcriptase reversa que o copia em DNA, que é inserido no cromossomo do hospedeiro como um prófago — uma infecção permanente. Os mecanismos, e a resposta imune a eles, são do volume do Ano 3; aqui eles marcam a amplitude do que um genoma pode ser.

17.5 Exercícios

Exercício 17.1 ★

Compare o genoma bacteriano com o eucariótico: número e forma dos cromossomos, localização, proteínas que os organizam e densidade de genes.

Solução

Solução de Exercício 17.1.

Bactéria: um cromossomo circular (mais plasmídeos) num nucleoide sem membrana, compactado por superenrolamento e por pequenas proteínas básicas, com cerca de 90 %90\,\% de sequência codificante. Eucarioto: vários cromossomos lineares num núcleo, enrolados em histonas formando cromatina, com alguns por cento de sequência codificante.

Exercício 17.2 ★

Descreva um nucleossomo e dê o fator de compactação de cada nível de dobramento da cromatina.

Solução

Solução de Exercício 17.2.

147 pares de bases enrolados 1.7 vez em torno de um octâmero de histonas (duas de cada uma das H2A, H2B, H3, H4), selados pela H1, um a cada 200 pares. Contas num colar ×6\times 6; fibra de 30 nm30\,\mathrm{nm} ×40\times 40; alças ×1000\times 1000; cromossomo metafásico ×10 000\times 10\,000.

Exercício 17.3 ★

A partir da figura do censo, que fração do genoma humano codifica proteína, e qual é a maior categoria?

Solução

Solução de Exercício 17.3.

1.5 %1.5\,\%; os elementos transponíveis e os restos deles, 45 %45\,\%.

Exercício 17.4 ★

O que é um vírus, e em que sentido ele não é vivo?

Solução

Solução de Exercício 17.4.

Um genoma (de DNA ou de RNA) num capsídeo proteico, às vezes envelopado, que só se reproduz dentro de uma célula, com a maquinaria dela. Fora de uma célula ele não tem metabolismo, nem crescimento, nem resposta — é uma partícula inerte; ele só é “vivo” por carregar informação hereditária que evolui.

Exercício 17.5 ★★

Calcule o comprimento do cromossomo da E. coli e o número de voltas do tamanho de um nucleossomo de que ele precisaria se fosse eucariótico; explique como a bactéria o compacta em vez disso.

Solução

Solução de Exercício 17.5.

4.6×106×0.34=1.56 mm4.6 \times 10^{6}\times 0.34 = 1.56\,\mathrm{mm}; 4.6×106/200=23 0004.6 \times 10^{6}/200 = 23\,000 nucleossomos. Em vez disso: superenrolamento negativo pela girase e dobramento em umas cinquenta alças sobre um eixo proteico, com pequenas proteínas básicas dobrando o DNA — mil vezes, num nucleoide de um micrômetro.

Exercício 17.6 ★★

Um gene humano de 27 kb27\,\mathrm{kb} tem 1.5 kb1.5\,\mathrm{kb} de éxons em oito pedaços. Calcule os comprimentos médios de éxon e de íntron e a fração do transcrito primário que é descartada.

Solução

Solução de Exercício 17.6.

Éxons 1500/8=190 bp1500/8 = 190\,\mathrm{bp}; íntrons 25 500/7=3640 bp25\,500/7 = 3640\,\mathrm{bp}; 25.5/27=94 %25.5/27 = 94\,\% do transcrito é descartado.

Exercício 17.7 ★★

Usando a tabela, calcule os genes por megabase da E. coli, da levedura, da mosca-das-frutas, do ser humano e do peixe pulmonado. Comente a tendência.

Solução

Solução de Exercício 17.7.

E. coli, 930 genes por Mb; levedura, 500; mosca, 100; ser humano, 6; peixe pulmonado, 0.15. A densidade de genes cai quatro ordens de grandeza enquanto o número de genes sobe cinco vezes: o DNA a mais não é gênico.

Exercício 17.8 ★★

O elemento Alu tem 300 bp300\,\mathrm{bp} e está presente em um milhão de cópias. Que fração do genoma é Alu? Se cada cópia tiver surgido por retrotransposição (um RNA copiado de volta a DNA e inserido), quantas inserções por geração produziriam um milhão de cópias em 6060 milhões de anos, a 2020 anos por geração?

Solução

Solução de Exercício 17.8.

106×300=3×108 bp10^6\times 300 = 3 \times 10^{8}\,\mathrm{bp}: 9 %9\,\% do genoma. 60×106/20=3×10660\times 10^6/20 = 3 \times 10^{6} gerações: uma inserção nova a cada três gerações, em média, em algum ponto da linhagem.

Exercício 17.9 ★★

Explique por que o genoma mitocondrial é herdado por via materna, e o que isso implica para o rastreamento de ancestralidade.

Solução

Solução de Exercício 17.9.

O óvulo contribui com o citoplasma e as mitocôndrias dele; as poucas mitocôndrias do espermatozoide são excluídas ou destruídas depois da fecundação. O DNA mitocondrial passa, portanto, sem mistura, de mãe para filho, e as mutações acumuladas nele rastreiam linhagens maternas ao longo do tempo.

Exercício 17.10 ★★★

O fago λ\lambda no estado lisogênico é copiado uma vez por geração do hospedeiro; no estado lítico ele faz cem cópias em 40 min40\,\mathrm{min}. Numa cultura bem alimentada que dobra a cada 20 min20\,\mathrm{min}, compare as duas estratégias ao longo de duas horas; numa cultura em inanição que não se divide, compare-as de novo. Por que o interruptor responde à condição do hospedeiro?

Solução

Solução de Exercício 17.10.

Cultura alimentada, duas horas: a lisogenia dá 26=642^6 = 64 cópias (uma por divisão do hospedeiro); a lise dá 100 fagos em 40 min40\,\mathrm{min}, e a descendência deles 1003=106100^3 = 10^6 em duas horas, se houver hospedeiros de sobra — a lise vence de longe. Cultura em inanição: a lisogenia dá uma cópia, segura dentro de uma célula viva; a lise dá 100 fagos sem célula para infectar, que se degradam. O interruptor lê o estado do hospedeiro porque a melhor estratégia depende de haver ou não novos hospedeiros disponíveis.

Exercício 17.11 ★★★

Uma célula de peixe pulmonado carrega 130 Gb130\,\mathrm{Gb}: calcule o comprimento do DNA, o número de nucleossomos e a massa de histonas por célula, e o tempo para replicá-lo na velocidade humana de forquilha (50 bp/s50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s} por forquilha) com uma origem a cada 100 kb100\,\mathrm{kb}. O que um genoma grande custa a uma célula?

Solução

Solução de Exercício 17.11.

1.3×1011×0.34 nm=44 m1.3 \times 10^{11}\times 0.34\,\mathrm{nm} = 44\,\mathrm{m} (haploide); 6.5×1086.5 \times 10^{8} nucleossomos; histonas 6.5×108×108 000×1.66×10−24=117 pg6.5 \times 10^{8}\times 108\,000\times 1.66\times 10^{-24} = 117\,\mathrm{pg}. Origens: 1.3×1061.3 \times 10^{6}, cada uma replicando 50 kb50\,\mathrm{kb} de cada lado a 50 bp/s50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}: 1000 s1000\,\mathrm{s} — o tempo não é o problema, dadas origens suficientes; o custo são os nucleotídeos (130 pg130\,\mathrm{pg} de DNA por divisão), as histonas, o tempo para fabricá-las, e um núcleo e uma célula muitas vezes maiores, e é por isso que essas células se dividem devagar.

Exercício 17.12 ★★★

“O genoma é um registro, e não um projeto.” Discuta em um parágrafo, com os pseudogenes, os elementos transponíveis, as famílias gênicas e o paradoxo do valor C.

Solução

Solução de Exercício 17.12.

Um projeto conteria o que é necessário e nada mais; um registro contém o que aconteceu. Os pseudogenes são os cadáveres de genes duplicados que morreram por mutação; os elementos transponíveis são parasitas que se copiaram por dezenas de milhões de anos e nunca foram removidos; as famílias gênicas mostram duplicação seguida de divergência; e o paradoxo do valor C mostra que a quantidade de DNA reflete a história de acúmulo e de perda de uma linhagem, e não as necessidades dela. A seleção mantém os genes funcionando e deixa o resto derivar: o que lemos num genoma é, em sua maior parte, história.

17.6 Problema: Dois metros em seis micrômetros

Problema 17.1

Problema de fim de semana — um núcleo humano medido da hélice ao cromossomo: comprimentos, volumes, nucleossomos, histonas e a razão de empacotamento em cada nível, terminando na compactação total da metáfase

Um núcleo humano diploide é uma esfera de 6 µm6\,\text{µ}\mathrm{m} de diâmetro que contém 6.4×1096.4 \times 10^{9} pares de bases em 46 cromossomos; o maior cromossomo carrega 250 Mb250\,\mathrm{Mb}, e o menor 50 50\,. Tome 0.34 nm0.34\,\mathrm{nm} por par, 2 nm2\,\mathrm{nm} para o diâmetro da hélice, 650 Da650\,\mathrm{Da} por par, 200200 pares por nucleossomo, um octâmero de histonas de 108 kDa108\,\mathrm{kDa}, e 1.66×10−24 g1.66 \times 10^{-24}\,\mathrm{g} por dálton.

Parte I — Comprimentos e volumes.

  1. Calcule o comprimento total de DNA do núcleo.
  2. Calcule o número de voltas da dupla-hélice que ele contém.
  3. Calcule o comprimento do DNA do maior e do menor cromossomo.
  4. Calcule o volume do núcleo.
  5. Calcule o volume do DNA como um cilindro, e a fração do núcleo que ele ocupa.
  6. Calcule a massa de DNA do núcleo em picogramas.
  7. O núcleo contém cerca de 25 pg25\,\mathrm{pg} de proteína. Que fração da massa nuclear é DNA, se a água for 80 %80\,\% do núcleo (densidade 1.1 g/mL1.1\,\mathrm{g}/\mathrm{mL})?

Parte II — Nucleossomos.

  1. Calcule o número de nucleossomos do núcleo.
  2. Calcule a massa das histonas e compare com a massa de DNA.
  3. Os 200 200\, pares de um nucleossomo abrangem 68 nm68\,\mathrm{nm} de hélice, mas ocupam uma conta de 11 nm11\,\mathrm{nm} de comprimento. Calcule o fator de compactação das “contas num colar”.
  4. A fibra de 30 nm30\,\mathrm{nm} contém seis nucleossomos por 11 nm11\,\mathrm{nm} de comprimento dela. Calcule o fator de compactação dela em relação ao DNA nu.
  5. Calcule o comprimento da fibra de 30 nm30\,\mathrm{nm} para o genoma inteiro, e compare-o com o diâmetro do núcleo.
  6. Cada nucleossomo precisa ser desmontado e remontado quando o DNA é replicado ou transcrito. Quantos nucleossomos são remontados na fase S (8 h8\,\mathrm{h})? E por segundo?

Parte III — Alças e cromossomos.

  1. Alças de 75 kb75\,\mathrm{kb} da fibra de 30 nm30\,\mathrm{nm} pendem de um arcabouço. Calcule o comprimento de fibra de uma alça e o número de alças do genoma.
  2. Uma cromátide metafásica do maior cromossomo tem 10 µm10\,\text{µ}\mathrm{m} de comprimento. Calcule o fator de compactação do DNA nu ao cromossomo metafásico.
  3. Calcule o volume dessa cromátide como um cilindro de 0.7 µm0.7\,\text{µ}\mathrm{m} de diâmetro, e a fração dele que é DNA.
  4. Os 46 cromossomos na metáfase, cada um um bastão da mesma densidade: calcule o volume total deles e compare com o do núcleo interfásico.
  5. Explique por que a cromatina interfásica não pode ser empacotada tão apertada quanto a metafásica.

Parte IV — Encontrar um gene.

  1. Uma proteína precisa encontrar um sítio de 20 bp20\,\mathrm{bp} no genoma. Se ela testasse um sítio ao acaso por milissegundo, quanto tempo levaria a busca? O que isso diz sobre como os sítios são encontrados?
  2. Os 20 000 20\,000\, genes do genoma têm em média 27 kb27\,\mathrm{kb}. Que fração do genoma está dentro de genes? Que fração é codificante, a 1.5 kb1.5\,\mathrm{kb} de éxons por gene?
  3. Cada cromossomo ocupa um território próprio no núcleo. Calcule o volume do território do maior cromossomo, se os territórios forem proporcionais ao conteúdo de DNA, e a concentração de DNA dentro dele, em pares de bases por micrômetro cúbico.
  4. Um núcleo de peixe pulmonado com a mesma densidade de DNA teria que volume para 260 Gb260\,\mathrm{Gb} (em diploidia)? E que diâmetro?
  5. Calcule o número de octâmeros de histonas que uma célula precisa fabricar na fase S e os aminoácidos que eles contêm (1000 1000\, resíduos por octâmero). Compare com os 3×109 3 \times 10^{9}\, resíduos de proteína que uma célula fabrica por dia.
  6. Explique em duas frases por que as bactérias conseguem passar sem nucleossomos e os eucariotos não.
  7. Enuncie o resultado: o fator de compactação total da hélice ao cromossomo metafásico, e os fatores de cada nível.
Solução

Solução de Problema 17.1.

1. 6.4×109×0.34 nm=2.18 m6.4 \times 10^{9}\times 0.34\,\mathrm{nm} = 2.18\,\mathrm{m}. 2. 6.4×109/10=6.4×1086.4 \times 10^{9}/10 = 6.4 \times 10^{8} voltas. 3. 2.5×108×0.34=8.5 cm2.5 \times 10^{8}\times 0.34 = 8.5\,\mathrm{cm}; 1.7 cm1.7\,\mathrm{cm}. 4. 43π×33=113 µm3\frac{4}{3}\pi\times 3^3 = 113\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}. 5. π×(1 nm)2×2.18 m=6.8×10−18 m3=6.8 µm3\pi\times(1\,\mathrm{nm})^2\times 2.18\,\mathrm{m} = 6.8 \times 10^{-18}\,\mathrm{m}^{3} = 6.8\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}: 6 %6\,\% do núcleo. 6. 6.4×109×650×1.66×10−24=6.9×10−12 g=6.9 pg6.4 \times 10^{9}\times 650\times 1.66\times 10^{-24} = 6.9 \times 10^{-12}\,\mathrm{g} = 6.9\,\mathrm{pg}. 7. Massa nuclear 113×10−12 mL×1.1=124 pg113\times 10^{-12}\,\mathrm{mL}\times 1.1 = 124\,\mathrm{pg}; o DNA são 5.6 %5.6\,\% dela, e a proteína 20 %20\,\%. 8. 6.4×109/200=3.2×1076.4 \times 10^{9}/200 = 3.2 \times 10^{7}. 9. 3.2×107×108 000×1.66×10−24=5.7 pg3.2 \times 10^{7}\times 108\,000\times 1.66\times 10^{-24} = 5.7\,\mathrm{pg}: aproximadamente igual ao DNA. 10. 68/11=6.268/11 = 6.2. 11. Seis nucleossomos, 1200 bp1200\,\mathrm{bp} =408 nm= 408\,\mathrm{nm} de hélice, em 11 nm11\,\mathrm{nm}: fator 3737. 12. 2.18/37=5.9 cm2.18/37 = 5.9\,\mathrm{cm} de fibra — dez mil vezes o diâmetro nuclear, dobrada dentro dele. 13. Todos os 3.2×1073.2 \times 10^{7}, mais o mesmo número de novos na segunda cópia: 6.4×1076.4 \times 10^{7} em 28 800 s28\,800\,\mathrm{s}, cerca de 22002200 por segundo. 14. 75 000×0.34/37=690 nm75\,000\times 0.34/37 = 690\,\mathrm{nm} de fibra por alça; 6.4×109/75 000=85 0006.4 \times 10^{9}/75\,000 = 85\,000 alças. 15. 8.5 cm/10 µm=85008.5\,\mathrm{cm}/10\,\text{µ}\mathrm{m} = 8500. 16. π×0.352×10=3.85 µm3\pi\times 0.35^2\times 10 = 3.85\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}; DNA π×10−6×0.085 m=0.27 µm3\pi\times 10^{-6}\times 0.085\,\mathrm{m} = 0.27\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}: 7 %7\,\% — o resto são histonas, proteína do arcabouço e água. 17. DNA total de 6.4×1096.4 \times 10^{9} pares na mesma densidade (2.5×1082.5 \times 10^{8} pares em 3.85 µm33.85\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}, por cromátide; duas cromátides por cromossomo): 2×6.4×109/2.5×108×3.85=197 µm32\times 6.4\times 10^9/2.5\times 10^8\times 3.85 = 197\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}, maior que o núcleo interfásico porque os cromossomos agora são bastões com espaço entre eles. 18. A cromatina interfásica precisa ser lida e copiada: as polimerases e os fatores delas precisam de acesso ao DNA, de modo que quase toda ela permanece como a fibra aberta de 30 nm30\,\mathrm{nm} e como alças; a cromatina metafásica é inerte e pode ser empacotada para o transporte. 19. 6.4×1096.4 \times 10^{9} sítios a 10310^3 por segundo: 6.4×1066.4 \times 10^{6} segundos, 74 dias. As proteínas não buscam ao acaso: elas se ligam ao DNA de modo inespecífico e deslizam por ele, e muitas cópias buscam em paralelo, de modo que um sítio é encontrado em segundos. 20. 20 000×27 kb=540 Mb20\,000\times 27\,\mathrm{kb} = 540\,\mathrm{Mb}, 17 %17\,\% dos 3.2 Gb3.2\,\mathrm{Gb}; codificante 20 000×1.5=30 Mb20\,000\times 1.5 = 30\,\mathrm{Mb}, 0.9 %0.9\,\% (cerca de 1.5% se os genes mais curtos forem contados com mais cuidado). 21. 113×2×250/6400=8.8 µm3113\times 2\times 250/6400 = 8.8\,\text{µ}\mathrm{m}^{3} (duas cópias); 5×108/8.8=5.7×107 bp/µm35 \times 10^{8}/8.8 = 5.7 \times 10^{7}\,\mathrm{bp}/\text{µ}\mathrm{m}^{3}, o mesmo do núcleo inteiro. 22. 2.6×1011/5.7×107=4600 µm32.6 \times 10^{11}/5.7 \times 10^{7} = 4600\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}: diâmetro de 21 µm21\,\text{µ}\mathrm{m}, quarenta vezes o núcleo humano em volume. 23. 3.2×1073.2 \times 10^{7} octâmeros, 3.2×10103.2 \times 10^{10} resíduos — um décimo da síntese proteica diária da célula, gasto em empacotamento. 24. O cromossomo de uma bactéria é mil vezes mais curto, e o superenrolamento em alças basta para fazê-lo caber num micrômetro; um eucarioto precisa dobrar um comprimento dez mil vezes o núcleo dele e precisa de uma hierarquia de empacotamento, da qual o nucleossomo é o primeiro nível. 25. Cerca de 85008500 (8.5 cm8.5\,\mathrm{cm} em 10 µm10\,\text{µ}\mathrm{m}), construídos como ×6\times 6 (nucleossomos), mais ×6\times 6 (fibra de 30 nm30\,\mathrm{nm}, ×37\times 37 ao todo), mais ×27\times 27 (alças, ×1000\times 1000 ao todo) e mais ×8\times 8 (condensação metafásica).

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