Biology · Livro 3 · Bachelor Year 1

Biologia universitária — 1.º ano

Biologia universitária — 1.º ano · Bachelor Year 1

18Replicação do DNA e mitose

A cada oito horas, mais ou menos, uma célula do revestimento intestinal copia seis bilhões de pares de bases com cerca de um erro em um bilhão, e depois distribui as duas cópias em duas filhas de modo que cada uma receba exatamente quarenta e seis cromossomos — não quarenta e cinco, não quarenta e sete. A cópia é feita por uma máquina que lê uma fita e constrói a complementar dela a cinquenta letras por segundo, a partir de dezenas de milhares de pontos de partida ao mesmo tempo; a distribuição é feita por um fuso de microtúbulos que separa as duas cópias de cada cromossomo com uma exatidão de um erro em cem mil divisões. Este capítulo descreve a forquilha de replicação e as enzimas dela, o problema das extremidades, o ciclo celular que marca o tempo da replicação e da divisão, e a mitose, a própria divisão.

18.1 Replicação semiconservativa

Proposição 18.1 (Cada fita é um molde)

O DNA é replicado de modo semiconservativo: as duas fitas da hélice se separam, e cada uma serve de molde sobre o qual uma nova fita complementar é construída, de modo que toda molécula-filha é uma fita velha pareada com uma nova.

Evidências. Meselson e Stahl (1958; retomado do volume do Ensino Médio) cultivaram E. coli em nitrogênio pesado, transferiram-na para nitrogênio leve, e separaram o DNA por densidade: depois de uma geração todo o DNA tinha densidade intermediária, e depois de duas, metade intermediária e metade leve — exatamente a previsão de uma fita velha e uma nova por molécula, e de nenhum outro esquema. Cairns (1963) marcou cromossomos bacterianos em replicação com trítio e os fotografou por autorradiografia: círculos com uma “bolha” de replicação cujas duas forquilhas se moviam em sentidos opostos a partir de uma origem. Kornberg (1956) purificou uma enzima que sintetizava DNA em tubo de ensaio a partir dos quatro nucleosídeos trifosfatados e de um molde, na sequência do molde. ∎

Definição 18.2 (A forquilha de replicação e as enzimas dela)

A replicação começa numa origem — uma no cromossomo bacteriano, dezenas de milhares num genoma eucariótico — em que a hélice é aberta e duas forquilhas de replicação se afastam em sentidos opostos. Em cada forquilha: uma helicase desenrola a hélice (um ATP por par de bases), proteínas de ligação a fita simples mantêm as fitas separadas afastadas, e uma topoisomerase à frente da forquilha alivia a torção que o desenrolamento acumula. A DNA-polimerase acrescenta nucleotídeos apenas à hidroxila 3′3' de uma cadeia existente, de modo que toda fita nova cresce de 5′→3′5' \to 3' e nenhuma consegue começar do nada: uma primase deposita antes um curto iniciador de RNA que a polimerase estende. No molde lido de 3′→5′3' \to 5' a fita nova cresce continuamente rumo à forquilha: é a fita contínua. No outro molde a fita nova precisa crescer se afastando da forquilha, em pedaços de 1000 to 2000 1000\text{ to }2000\, nucleotídeos nas bactérias e de 100 to 200 100\text{ to }200\, nos eucariotos, os fragmentos de Okazaki, cada um com o próprio iniciador: é a fita descontínua. Uma segunda polimerase substitui os iniciadores por DNA e uma ligase sela os fragmentos numa única fita.

Uma forquilha de replicação. A helicase abre o duplex parental; a fita contínua é copiada sem interrupção rumo à forquilha, e a fita descontínua para trás, em fragmentos de Okazaki, porque as polimerases só constroem no sentido 5' 3'.
Uma forquilha de replicação. A helicase abre o duplex parental; a fita contínua é copiada sem interrupção rumo à forquilha, e a fita descontínua para trás, em fragmentos de Okazaki, porque as polimerases só constroem no sentido 5′→3′5' \to 3'.

Proposição 18.3 (Fidelidade)

O pareamento de bases sozinho daria cerca de um erro em 10510^5; a polimerase revisa — uma atividade exonuclease de 3′→5′3' \to 5' retira um nucleotídeo malpareado antes que o seguinte seja acrescentado —, o que leva o erro a um em 10710^7; e depois que a forquilha passou, um sistema de reparo de malpareamento encontra os malpareamentos restantes, identifica a fita nova e a corrige: um erro em 10910^9 a 101010^{10} pares de bases por replicação. Uma célula humana que copia 6.4×1096.4 \times 10^{9} pares comete um punhado de mutações a cada divisão; uma bactéria, uma a cada mil divisões.

Exemplo 18.4 (Velocidade e pontos de partida)

Uma forquilha bacteriana avança 1000 1000\, pares de bases por segundo: duas forquilhas copiam os 4.6 Mb4.6\,\mathrm{Mb} da E. coli em 40 min40\,\mathrm{min} e, em meio rico, em que a célula se divide a cada vinte, uma nova rodada começa antes que a anterior termine. Uma forquilha eucariótica, retardada pela cromatina, avança 50 50\, por segundo: copiar um cromossomo humano de 250 Mb250\,\mathrm{Mb} a partir de uma única origem levaria um mês, e por isso o genoma é copiado a partir de umas 40 00040\,000 origens em oito horas, numa ordem fixa para cada tipo celular.

18.2 As extremidades

Proposição 18.5 (O problema da replicação das extremidades e a telomerase)

Num cromossomo linear a fita descontínua não pode ser completada até a extremidade: quando o último iniciador é retirado não há hidroxila 3′3' a montante a partir da qual preencher a lacuna, e cada replicação encurtaria o cromossomo em 50 to 100 50\text{ to }100\, nucleotídeos. Os eucariotos terminam os cromossomos deles com telômeros, milhares de cópias de uma repetição curta (TTAGGG nos vertebrados) que não carrega genes, e as células germinativas e as células-tronco carregam a telomerase, uma enzima com um molde de RNA próprio que acrescenta repetições à extremidade 3′3', restaurando o que a replicação perde. Quase todas as células somáticas não a têm: os telômeros delas encurtam a cada divisão e, depois de umas cinquenta divisões em cultura, elas param de se dividir. As bactérias, com cromossomos circulares, não têm extremidades.

O problema da replicação das extremidades (em cima) e a solução dele (embaixo). A fita descontínua fica curta na extremidade do cromossomo; a telomerase acrescenta repetições à extremidade 3' do molde, de modo que a perda recai sobre sequência que não carrega genes.
O problema da replicação das extremidades (em cima) e a solução dele (embaixo). A fita descontínua fica curta na extremidade do cromossomo; a telomerase acrescenta repetições à extremidade 3′3' do molde, de modo que a perda recai sobre sequência que não carrega genes.

18.3 O ciclo celular

Definição 18.6 (O ciclo celular)

O ciclo celular de uma célula eucariótica tem quatro fases. A G1_1 (intervalo 1): a célula cresce e fabrica as enzimas da replicação; a S (síntese): ela replica o DNA dela, de modo que cada cromossomo passa a ser duas cromátides-irmãs idênticas unidas no centrômero; a G2_2: ela cresce mais e confere as cópias; a M: a mitose, a divisão do núcleo, seguida da citocinese, a divisão do citoplasma. A G1_1, a S e a G2_2 juntas são a intérfase, em que os cromossomos estão estendidos e ativos; uma célula que para de se dividir deixa o ciclo a partir da G1_1 e entra num estado de repouso, a G0_0. Uma célula humana em divisão leva cerca de 24 h24\,\mathrm{h}: G1_1 10 h10\,\mathrm{h}, S 8 h8\,\mathrm{h}, G2_2 4 h4\,\mathrm{h}, M 1 h1\,\mathrm{h}; uma levedura, 90 min90\,\mathrm{min}; um embrião inicial de rã, trinta minutos e nenhum intervalo.

O conteúdo de DNA de um núcleo ao longo de um ciclo celular de 24\, h. Ele dobra durante a fase S, de q (2n cromossomos de uma cromátide) a 2q (2n cromossomos de duas cromátides), e volta a q em cada filha ao fim da mitose; o número de cromossomos nunca muda.
O conteúdo de DNA de um núcleo ao longo de um ciclo celular de 24 h24\,\mathrm{h}. Ele dobra durante a fase S, de qq (2n cromossomos de uma cromátide) a 2q2q (2n cromossomos de duas cromátides), e volta a qq em cada filha ao fim da mitose; o número de cromossomos nunca muda.

Proposição 18.7 (Pontos de checagem)

O ciclo é impelido adiante por uma família de proteínas quinases, ativadas por sua vez por proteínas chamadas ciclinas, cujos níveis sobem e descem ao longo do ciclo, e é retido em pontos de checagem até que as condições sejam atendidas: ao fim da G1_1, a célula se compromete a replicar apenas se estiver grande o bastante, nutrida e sinalizada para se dividir, e se o DNA dela estiver sem danos; ao fim da G2_2, ela entra em mitose apenas quando a replicação está completa; na mitose, as cromátides só se separam quando cada cromossomo está preso ao fuso pelos dois lados. Um dano interrompe o ciclo e, se não puder ser reparado, desencadeia a morte da célula. A maquinaria molecular desse controle pertence ao volume do Ano 3; a falha dela é o câncer.

18.4 A mitose

Definição 18.8 (Mitose)

A mitose distribui os cromossomos replicados de modo que cada núcleo-filho receba uma cromátide de cada cromossomo — o mesmo número e os mesmos genes do parental. As etapas dela:

  • a prófase: os cromossomos se condensam em bastões visíveis, cada um de duas cromátides-irmãs mantidas unidas ao longo do comprimento delas por proteínas coesinas; os dois centrossomos se afastam e o fuso mitótico de microtúbulos cresce entre eles;
  • a prometáfase: o envoltório nuclear se desfaz; os microtúbulos do fuso se prendem ao cinetocoro de cada cromátide, uma estrutura proteica do centrômero, a partir de polos opostos;
  • a metáfase: os cromossomos ficam alinhados no equador do fuso, cada um sob tração dos dois polos;
  • a anáfase: a coesina é cortada, as cromátides-irmãs se separam e são puxadas para polos opostos à medida que os microtúbulos encurtam (anáfase A) e que os polos se afastam (anáfase B);
  • a telófase: os cromossomos se descondensam, e um envoltório nuclear se refaz em torno de cada conjunto.

A citocinese então divide o citoplasma: nas células animais um anel contrátil de actina e miosina estrangula a célula em duas; nas células vegetais vesículas vindas do Golgi se fundem no equador numa placa celular que cresce para fora, formando uma parede nova.

Células da ponta de raiz de cebola em intérfase, prófase, metáfase, anáfase, telófase e depois da citocinese, com a parede nova atravessando o meio. Os cromossomos só são visíveis enquanto estão condensados, da prófase à telófase.
Células da ponta de raiz de cebola em intérfase, prófase, metáfase, anáfase, telófase e depois da citocinese, com a parede nova atravessando o meio. Os cromossomos só são visíveis enquanto estão condensados, da prófase à telófase.
Quatro etapas da mitose numa célula animal. Prófase: os cromossomos se condensam enquanto o fuso se forma a partir dos dois centrossomos. Metáfase: cada cromossomo fica no equador, preso pelos dois polos. Anáfase: as cromátides-irmãs são separadas. Telófase: dois núcleos se refazem e o sulco divide a célula.
Quatro etapas da mitose numa célula animal. Prófase: os cromossomos se condensam enquanto o fuso se forma a partir dos dois centrossomos. Metáfase: cada cromossomo fica no equador, preso pelos dois polos. Anáfase: as cromátides-irmãs são separadas. Telófase: dois núcleos se refazem e o sulco divide a célula.
Uma célula em cultura na metáfase, com os microtúbulos marcados de verde e os cromossomos de azul: o fuso atravessa a célula de polo a polo e os cromossomos formam uma placa no equador dele.
Uma célula em cultura na metáfase, com os microtúbulos marcados de verde e os cromossomos de azul: o fuso atravessa a célula de polo a polo e os cromossomos formam uma placa no equador dele.

Proposição 18.9 (O que a mitose conserva)

A mitose é uma divisão que conserva o número de cromossomos: uma célula com 2n cromossomos (46 num ser humano) dá duas células com 2n. O conteúdo de DNA passa de 2q2q (depois da replicação) a qq em cada filha; o número de cromossomos nunca muda, porque um cromossomo é contado pelo centrômero dele, e cada cromátide, uma vez separada, é um cromossomo. Toda célula de um corpo é, assim, geneticamente idêntica ao óvulo do qual descende, exceto pelas mutações que a cópia introduziu. A divisão que reduz à metade o número de cromossomos, a meiose, pertence ao volume do Ano 2.

Método 18.10 (Ler um experimento de ciclo celular)

  1. Meça o DNA por célula (um corante cuja fluorescência é proporcional ao DNA, célula a célula): as células em qq estão na G1_1, as em 2q2q na G2_2 ou na M, e as intermediárias na S. As frações dão as durações: a parcela do ciclo de uma fase é a parcela de células nela.
  2. Dê um pulso de nucleotídeo marcado (bromodesoxiuridina): só as células na fase S o captam; a fração marcada é a fração em S, e acompanhar a marcação até a mitose dá a duração da G2_2.
  3. Conte as figuras de mitose num corte corado: o índice mitótico, a fração de células em M, é a fração do ciclo que a M ocupa — 4 %4\,\% para um ciclo de 24 h24\,\mathrm{h} com uma mitose de uma hora.
  4. Bloqueie uma etapa (um fármaco que despolimeriza os microtúbulos para as células na metáfase; um que bloqueia a síntese de DNA as para na S) e conte o que se acumula.

Exemplo 18.11 (Renovação)

O epitélio do intestino delgado é renovado a cada quatro dias, a pele a cada mês, e as hemácias a cada quatro meses a partir da medula, que produz dois milhões por segundo; uma célula do fígado se divide uma vez por ano, mais ou menos, e um neurônio nunca. As células de um tumor perderam os pontos de checagem: elas se dividem quando não deveriam, toleram cromossomos mal distribuídos, e acumulam as mutações que as deixam se dividir ainda mais rápido. A quimioterapia explora a diferença: os fármacos que envenenam o fuso ou a polimerase matam primeiro as células que mais se dividem.

18.5 Exercícios

Exercício 18.1 ★

Explique por que uma fita numa forquilha é copiada continuamente e a outra em fragmentos.

Solução

Solução de Exercício 18.1.

As polimerases só acrescentam nucleotídeos a uma extremidade 3′3', de modo que as fitas novas crescem de 5′→3′5' \to 3'; os dois moldes são antiparalelos, de modo que numa forquilha uma fita nova pode crescer continuamente rumo à forquilha, enquanto a outra precisa crescer se afastando dela, recomeçando em fragmentos à medida que mais molde é exposto.

Exercício 18.2 ★

Liste as enzimas e as proteínas de uma forquilha de replicação e a tarefa de cada uma.

Solução

Solução de Exercício 18.2.

Helicase (desenrola), proteínas de ligação a fita simples (mantêm as fitas afastadas), topoisomerase (alivia a torção adiante), primase (iniciadores de RNA), DNA-polimerase (estende os iniciadores, revisa), uma segunda polimerase (substitui os iniciadores), ligase (sela os fragmentos).

Exercício 18.4 ★

Ordene as etapas da mitose e dê o evento que define cada uma.

Solução

Solução de Exercício 18.4.

Prófase (condensação, formação do fuso), prometáfase (o envoltório se desfaz, os cinetocoros se prendem), metáfase (alinhamento no equador), anáfase (as cromátides se separam), telófase (os envoltórios se refazem), e depois a citocinese.

Exercício 18.5 ★★

Calcule o número de fragmentos de Okazaki produzidos ao copiar o genoma humano (6.4×1096.4 \times 10^{9} pares, fragmentos de 150 150\,), e o número de iniciadores, de remoções de iniciador e de ligações que isso implica.

Solução

Solução de Exercício 18.5.

Metade do genoma é síntese da fita descontínua: 6.4×109/150=4.3×1076.4 \times 10^{9}/150 = 4.3 \times 10^{7} fragmentos; outros tantos iniciadores, remoções e ligações.

Exercício 18.6 ★★

Calcule a taxa de erro por genoma humano por replicação para uma polimerase sozinha (10−510^{-5}), com revisão (10−710^{-7}) e com reparo de malpareamento (10−910^{-9}). Quantas mutações cada caso dá por divisão?

Solução

Solução de Exercício 18.6.

6.4×109×10−5=64 0006.4 \times 10^{9}\times 10^{-5} = 64\,000; ×10−7\times 10^{-7}: 640; ×10−9\times 10^{-9}: cerca de 6 mutações por divisão.

Exercício 18.7 ★★

Uma célula somática perde 80 80\, nucleotídeos de telômero por divisão e começa com 10 kb10\,\mathrm{kb}; ela para de se dividir em 5 kb5\,\mathrm{kb}. Quantas divisões ela consegue fazer? Por que uma célula cancerosa precisa de telomerase?

Solução

Solução de Exercício 18.7.

5000/80=625000/80 = 62 divisões. Um tumor precisa se dividir sem limite; sem telomerase os telômeros dele se esgotariam e as células dele parariam ou morreriam, e por isso quase todos os cânceres reativam a enzima.

Exercício 18.8 ★★

Um tecido tem 5 %5\,\% das células em mitose e 30 %30\,\% na fase S; a mitose dura uma hora. Calcule a duração do ciclo e a duração da fase S.

Solução

Solução de Exercício 18.8.

Ciclo =1 h/0.05=20 h= 1\,\mathrm{h}/0.05 = 20\,\mathrm{h}; S =0.30×20=6 h= 0.30\times 20 = 6\,\mathrm{h}.

Exercício 18.9 ★★

Uma célula tem 2n =8= 8. Dê o número de cromossomos, o de cromátides e o conteúdo de DNA (em qq) na G1_1, na G2_2, na metáfase e em cada filha depois da telófase.

Solução

Solução de Exercício 18.9.

G1_1: 8 cromossomos, 8 cromátides, qq. G2_2: 8, 16, 2q2q. Metáfase: 8, 16, 2q2q. Filha: 8, 8, qq.

Exercício 18.10 ★★★

A E. coli precisa de 40 min40\,\mathrm{min} para replicar o cromossomo dela, mas se divide a cada 20 min20\,\mathrm{min} em meio rico. Explique como, e calcule quantas origens e quantas forquilhas uma célula contém no momento da divisão.

Solução

Solução de Exercício 18.10.

Novas rodadas começam a cada 20 min20\,\mathrm{min} na origem, antes que a rodada anterior termine: a replicação é sobreposta, e uma célula recém-nascida já tem DNA parcialmente replicado. Na divisão, o cromossomo que termina a rodada dele foi iniciado 40 min40\,\mathrm{min} antes, uma segunda rodada iniciada 20 min20\,\mathrm{min} antes tem as forquilhas na metade do caminho, e uma terceira está apenas começando: 4 origens e 6 forquilhas na célula em divisão.

Exercício 18.11 ★★★

A colchicina despolimeriza os microtúbulos. Preveja o que acontece com uma célula em divisão tratada com ela, com o número de cromossomos dela se ela depois voltar à intérfase, e por que o fármaco é usado para fazer cariótipos.

Solução

Solução de Exercício 18.11.

Nenhum fuso se forma: os cromossomos se condensam mas não conseguem se alinhar nem se separar, e a célula fica parada no ponto de checagem do fuso, num estado semelhante à metáfase. Se ela escapar de volta à intérfase sem se dividir, fica com 4n cromossomos (tetraploide). Células paradas com cromossomos condensados e separados são exatamente o que um cariótipo precisa: o fármaco é aplicado para acumulá-las.

Exercício 18.12 ★★★

“A mitose é uma cópia do genoma seguida de uma contagem.” Discuta em um parágrafo: o que a replicação garante, o que o fuso garante, os pontos de checagem entre os dois, e o que falha numa célula que distribui mal um cromossomo.

Solução

Solução de Exercício 18.12.

A replicação garante que cada cromossomo se torne duas cromátides idênticas, a menos de um erro em um bilhão; o fuso garante que cada filha receba uma de cada par, prendendo cada cromossomo pelos dois polos e segurando a anáfase até que todos estejam sob tração. O ponto de checagem da G2_2 garante que a cópia esteja terminada antes que a contagem comece; o ponto de checagem do fuso garante que a contagem esteja montada antes da separação. Uma célula que distribui mal termina com um cromossomo a mais ou a menos (aneuploidia): uma cópia correta letra por letra, entregue no endereço errado — o que mata quase todas essas células e caracteriza quase todos os cânceres.

18.6 Problema: Copiar um genoma humano

Problema 18.1

Problema de fim de semana — uma fase S de oito horas: forquilhas cronometradas, origens contadas, fragmentos e iniciadores somados, erros calculados, e uma bactéria comparada, terminando no número mínimo de origens

Uma célula humana replica 6.4×1096.4 \times 10^{9} pares de bases numa fase S de 8 h8\,\mathrm{h}. Uma forquilha eucariótica avança 50 bp/s50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}; uma forquilha bacteriana, 1000 bp/s1000\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}. Os fragmentos de Okazaki têm 150 150\, nucleotídeos nos eucariotos e 1500 1500\, nas bactérias. Cada nucleotídeo acrescentado custa dois equivalentes de ATP (o precursor trifosfatado). Taxas de erro por base: 10−510^{-5} para a polimerase sozinha, 10−710^{-7} com revisão, 10−910^{-9} com reparo de malpareamento.

Parte I — Forquilhas e origens.

  1. Quantos pares de bases uma forquilha copia em 8 h8\,\mathrm{h}?
  2. Uma origem lança duas forquilhas. Quantos pares de bases uma origem copia em 8 h8\,\mathrm{h}?
  3. Calcule o número mínimo de origens necessárias para copiar o genoma em 8 h8\,\mathrm{h}, se todas dispararem no início.
  4. Calcule o espaçamento médio dessas origens ao longo do DNA, em quilobases e em micrômetros.
  5. Na realidade as origens disparam ao longo de toda a fase S e cerca de 40 00040\,000 são usadas. Calcule o espaçamento médio e a distância média que uma forquilha de fato percorre.
  6. Quanto tempo o maior cromossomo (250 Mb250\,\mathrm{Mb}) levaria para ser copiado a partir de uma única origem no centro dele?
  7. Explique por que foi o número de origens, e não a velocidade da forquilha, o que a evolução ajustou para encurtar a fase S.

Parte II — Fragmentos e iniciadores.

  1. Calcule o número de fragmentos de Okazaki produzidos numa fase S.
  2. Calcule o número de iniciadores de RNA depositados, incluindo um por fita contínua por origem.
  3. Calcule o número de ligações necessárias.
  4. Calcule o total de nucleotídeos polimerizados (as duas fitas do genoma inteiro).
  5. Calcule os equivalentes de ATP gastos na polimerização, e a velocidade média em ATP por segundo ao longo da fase S.
  6. Compare com a renovação de ATP de uma célula em repouso, de cerca de 10910^9 por segundo: que fração da energia da célula vai para a polimerização?

Parte III — Erros.

  1. Calcule o número de erros por fase S em cada uma das três taxas de erro.
  2. A sequência codificante de um gene tem 1.5 kb1.5\,\mathrm{kb}. Com a maquinaria completa, qual é a probabilidade de um dado gene adquirir uma mutação numa divisão?
  3. As células de uma pessoa passam por cerca de 101610^{16} divisões ao longo da vida. Quantas mutações ao todo, a 10−910^{-9}? Por que o corpo tolera isso?
  4. Uma mutação inutiliza o reparo de malpareamento. Por qual fator a taxa de mutação sobe, e o que isso faz com o risco de câncer ao longo de uma vida?

Parte IV — A bactéria. E. coli: 4.6 Mb4.6\,\mathrm{Mb}, uma origem, duas forquilhas.

  1. Calcule o tempo para replicar o cromossomo.
  2. Em meio rico a célula se divide a cada 20 min20\,\mathrm{min}. Quantas rodadas de replicação estão em curso ao mesmo tempo, e quantas origens uma célula recém-nascida carrega?
  3. Calcule o número de fragmentos de Okazaki por rodada e por segundo.
  4. Calcule os erros por rodada a 10−910^{-9} e a fração de células-filhas que carrega uma mutação nova.
  5. Uma cultura de 10910^9 células por mililitro se divide uma vez. Quantas mutações novas aparecem num mililitro, e quantas atingem um dado gene de 1 kb1\,\mathrm{kb}?
  6. Explique por que a resistência a antibióticos pode ser encontrada em quase qualquer cultura grande de uma linhagem sensível.
  7. Compare os dois organismos: pares de bases, origens, velocidade de forquilha, duração da fase S, e o projeto que permite copiar o genoma maior num tempo comparável.
  8. Enuncie o resultado: o número mínimo de origens para uma fase S humana de 8 h8\,\mathrm{h}, e o número real e o espaçamento delas.
Solução

Solução de Problema 18.1.

1. 50×28 800=1.44×106 bp50\times 28\,800 = 1.44 \times 10^{6}\,\mathrm{bp}. 2. 2.88×106 bp2.88 \times 10^{6}\,\mathrm{bp}. 3. 6.4×109/2.88×106=22206.4 \times 10^{9}/2.88 \times 10^{6} = 2220 origens. 4. 2.9 Mb2.9\,\mathrm{Mb}, ou seja, 2.9×106×0.34 nm=0.98 mm2.9\times 10^6\times 0.34\,\mathrm{nm} = 0.98\,\mathrm{mm} de DNA entre as origens. 5. Espaçamento 6.4×109/40 000=160 kb6.4 \times 10^{9}/40\,000 = 160\,\mathrm{kb}; cada forquilha percorre cerca de 80 kb80\,\mathrm{kb}, meia hora de trabalho. 6. 125 Mb125\,\mathrm{Mb} por forquilha a 50 bp/s50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}: 2.5×1062.5 \times 10^{6} s, 29 dias. 7. A velocidade da forquilha é limitada pela química e pela cromatina (vinte vezes mais lenta que nas bactérias); as origens podem ser multiplicadas sem limite, de modo que a fase S é encurtada acrescentando pontos de partida, e não acelerando as forquilhas. 8. A síntese descontínua cobre metade do genoma, 3.2×1093.2 \times 10^{9} nucleotídeos: 2.1×1072.1 \times 10^{7} fragmentos (as duas forquilhas de cada origem têm, cada uma, uma fita descontínua, e as metades somam o equivalente a um genoma). 9. 2.1×107+2×40 000=2.1×1072.1 \times 10^{7} + 2\times40\,000 = 2.1 \times 10^{7} iniciadores. 10. Cerca de 2.1×1072.1 \times 10^{7} ligações (uma por fragmento) mais uma por encontro de forquilhas. 11. 2×6.4×109=1.28×10102\times6.4 \times 10^{9} = 1.28 \times 10^{10} nucleotídeos. 12. 2.56×10102.56 \times 10^{10} ATP; ao longo de 28 800 s28\,800\,\mathrm{s}, 8.9×1058.9 \times 10^{5} por segundo. 13. Cerca de 0.1 %0.1\,\% da renovação de ATP da célula: a polimerização é barata; o que sai caro é fabricar os nucleotídeos e as histonas. 14. 64 00064\,000, 640 e 6.4 erros. 15. 1500×10−9=1.5×10−61500\times 10^{-9} = 1.5 \times 10^{-6}: um gene em setecentos mil por divisão. 16. 1016×6.4=6.4×101610^{16}\times 6.4 = 6.4 \times 10^{16} mutações — cada mudança pontual possível do genoma, muitas vezes, espalhada entre 101310^{13} células: quase todas caem em DNA não codificante ou em células que são descamadas, e uma célula mutada é uma entre bilhões; só algumas poucas combinações numa mesma célula importam. 17. Cem vezes (10−710^{-7}): a sequência de mutações que faz um câncer, que a 10−910^{-9} leva décadas para se acumular, acumula-se muito antes — defeitos herdados no reparo de malpareamento causam câncer de cólon no início da vida adulta. 18. 2.3×1062.3 \times 10^{6} pares por forquilha a 1000 bp/s1000\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}: 2300 s2300\,\mathrm{s}, 38 min38\,\mathrm{min}. 19. Cerca de duas rodadas sobrepostas; uma célula recém-nascida carrega duas origens (cada uma já replicada uma vez) e forquilhas na metade do caminho: o cromossomo dela já está parcialmente replicado ao nascer. 20. 4.6×106/1500=30704.6 \times 10^{6}/1500 = 3070 fragmentos por rodada, cerca de 1.3 por segundo. 21. 4.6×106×10−9=4.6×10−34.6 \times 10^{6}\times 10^{-9} = 4.6 \times 10^{-3} erro por rodada: cerca de uma filha em 200 carrega uma mutação nova. 22. 109×4.6×10−3=4.6×10610^9\times4.6 \times 10^{-3} = 4.6 \times 10^{6} mutações novas por mililitro; um dado gene de 1 kb1\,\mathrm{kb} é atingido 4.6×106×1000/4.6×106=10004.6 \times 10^{6}\times 1000/4.6 \times 10^{6} = 1000 vezes. 23. Com mil mutações independentes em qualquer gene por mililitro e por divisão, cada mudança pontual possível — inclusive as que conferem resistência — já está presente numa cultura grande antes que o antibiótico seja aplicado; o fármaco seleciona, ele não cria. 24. Ser humano: 6.4×1096.4 \times 10^{9} pares, 40 00040\,000 origens, 50 bp/s50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}, 8 h8\,\mathrm{h}. Bactéria: 4.6×1064.6 \times 10^{6} pares, uma origem, 1000 bp/s1000\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}, 40 min40\,\mathrm{min}. Um genoma mil vezes maior, copiado por forquilhas vinte vezes mais lentas, em apenas doze vezes o tempo: a diferença são as dezenas de milhares de origens trabalhando em paralelo. 25. Cerca de 22002200 origens no mínimo, se todas disparassem de uma vez; na realidade umas 40 00040\,000, uma a cada 160 kb160\,\mathrm{kb}, disparando em sucessão, de modo que cada forquilha percorre cerca de 80 kb80\,\mathrm{kb}.

Termos definidos neste capítulo

Ver todos os 479 termos do glossário