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Base Molecular da Hereditariedade

O DNA é o material genético da maioria dos seres vivos (alguns vírus usam RNA). É uma dupla hélice: duas cadeias antiparalelas de nucleotídeos; A liga-se a T por 2 ligações de hidrogênio e G a C por 3. O DNA longo é enrolado em histonas, formando nucleossomos e depois cromatina. O DNA copia-se de forma semiconservativa (Meselson–Stahl). O dogma central diz que DNA → RNA → proteína. A transcrição produz RNA a partir de uma só cadeia; nos eucariontes o hnRNA recebe cap, cauda e sofre splicing. O código genético é de trincas, tem 64 códons (61 para aminoácidos e 3 de parada), começa com AUG, é quase universal e degenerado. Os ribossomos traduzem o mRNA em proteína com a ajuda dos tRNA, que funcionam como adaptadores. Os genes são ligados e desligados; o operon lac é o exemplo clássico. Os Projetos Genoma Humano e do Arroz leram genomas inteiros, e a impressão digital de DNA usa DNA repetitivo (VNTRs) para identificar pessoas.

🎬 História passo a passo

  1. O DNA é uma escada retorcida. Os corrimãos são de açúcar e fosfato; os degraus são pares de bases. A sempre liga com T, G sempre liga com C. As cadeias correm em sentidos opostos: 5′→3′ e 3′→5′.
  2. O DNA de uma célula humana tem cerca de 2.2 m de comprimento. Ele se enrola em contas de histonas e forma os nucleossomos ("contas num colar"), depois se enrola ainda mais em cromatina e cromossomos.
  3. Replicação: a escada se abre como um zíper. Cada cadeia antiga serve de molde para uma nova parceira. Cada DNA-filho fica com 1 cadeia antiga + 1 nova: semiconservativa.
  4. Transcrição: só uma cadeia (a molde) é copiada em mRNA. O RNA usa U no lugar de T, então um A no DNA dá um U no RNA.
  5. Tradução: o ribossomo lê o mRNA de três em três letras. Cada códon traz um aminoácido. AUG inicia; UAA, UAG e UGA param.
  6. Brincadeira livre: escolha uma sequência de DNA e uma vista. Preveja a cadeia parceira, o mRNA e os aminoácidos, e depois confira no painel.

Dica: arraste a cena 3D para girar. Use dois dedos para dar zoom.

🤔 Dúvidas comuns, esclarecidas

Por que o A só se liga ao T e não ao C?

A (uma purina) e T (uma pirimidina) têm o encaixe certo na largura e formam 2 ligações de hidrogênio. A–C não combinaria com o padrão das ligações de H. Veja as cores que combinam no passo 0.

Como 2 m de DNA cabem num núcleo tão pequeno?

Ele se enrola em contas de histonas (nucleossomos) e depois se enrola de novo, várias vezes. O passo 1 mostra a escada encolhendo sobre as contas.

Por que a replicação se chama semiconservativa?

Cada DNA novo guarda uma cadeia antiga (escura) e ganha uma cadeia nova (clara). Nada é totalmente velho nem totalmente novo.

Se as duas cadeias têm informação, por que copiar só uma na transcrição?

Se as duas fossem copiadas, os dois RNAs se juntariam um ao outro e formariam RNA de fita dupla, e um gene daria duas proteínas diferentes. Por isso uma só cadeia serve de molde.

Por que o código é lido de três em três?

Com 4 bases, os pares dão só 16 combinações, poucas para 20 aminoácidos. As trincas dão 64. O passo 4 agrupa o mRNA de três em três.

Como achar rápido o mRNA a partir da cadeia codificante?

É só copiar a cadeia codificante e trocar cada T por U. Tente na brincadeira livre e compare com o painel.

O DNA como material genético

Griffith (1928), transformação: bactérias Streptococcus pneumoniae vivas e inofensivas do tipo R + bactérias mortas pelo calor do tipo S (letal) → os camundongos morreram e foram encontradas bactérias S vivas. Algo das células S mortas 'transformou' R em S.

Avery, MacLeod e McCarty (1944): eles destruíram, um a um, os componentes do extrato S. Enzimas que digerem proteínas (proteases) e a RNase não impediram a transformação; a DNase impediu. Logo, o que transformava era o DNA.

Hershey e Chase (1952): cultivaram bacteriófagos com ³²P radioativo (vai para o DNA) ou ³⁵S radioativo (vai para a proteína). Depois da infecção e da agitação no liquidificador, as bactérias tinham ³²P, mas não ³⁵S. Portanto, é o DNA, e não a proteína, que entra na célula e leva as instruções.

O que faz um bom material genético?

O RNA é menos estável (o 2′-OH o deixa reativo), por isso o DNA é melhor para guardar informação; o RNA serve melhor para tarefas rápidas. Provavelmente o RNA foi o primeiro material genético (mundo de RNA).

Estrutura do DNA e do RNA

Um nucleotídeo = base nitrogenada + açúcar pentose + fosfato. Base + açúcar = nucleosídeo. Purinas: adenina (A) e guanina (G). Pirimidinas: citosina (C), timina (T, só no DNA) e uracila (U, só no RNA). O açúcar do DNA é a desoxirribose; o do RNA é a ribose.

Os nucleotídeos se unem por ligações fosfodiéster 3′–5′. Watson e Crick (1953), usando as imagens de raios X de Rosalind Franklin e Wilkins, propuseram a dupla hélice:

O RNA geralmente tem uma só cadeia. Tipos: mRNA (mensageiro), tRNA (adaptador) e rRNA (parte do ribossomo).

Empacotamento do DNA

Comprimento do DNA = número de pares de bases × 0.34 nm. Célula humana diploide: 6.6 × 10⁹ pb × 0.34 × 10⁻⁹ m ≈ 2.2 m, guardados num núcleo de cerca de 10⁻⁶ m de largura.

Eucromatina: frouxa, cora pouco, ativa. Heterocromatina: compacta, cora forte, inativa.

Replicação do DNA (semiconservativa)

Watson e Crick previram que cada cadeia serve de molde. Meselson e Stahl (1958) provaram isso: cultivaram E. coli em ¹⁵N pesado e depois passaram para ¹⁴N normal. Após 1 geração, todo o DNA era híbrido (¹⁵N–¹⁴N); após 2 gerações, metade era híbrida e metade leve. Taylor mostrou o mesmo em pontas de raiz de feijão, usando timidina radioativa.

Como acontece

  1. A helicase abre a hélice na origem de replicação, formando a forquilha de replicação em forma de Y.
  2. A DNA polimerase dependente de DNA adiciona nucleotídeos somente no sentido 5′→3′, usando desoxinucleosídeos trifosfatados (que fornecem tanto a peça quanto a energia).
  3. Numa das cadeias o DNA novo cresce de forma contínua (cadeia líder); na outra é feito em pedaços curtos (cadeia atrasada, fragmentos de Okazaki).
  4. A DNA ligase une os pedaços.

É muito rápida (a E. coli copia 4.6 × 10⁶ pb em cerca de 18 minutos, mais ou menos 2000 pb por segundo) e muito precisa. Nos eucariontes ocorre na fase S.

Dogma central

Francis Crick propôs que a informação genética flui de DNA → RNA → proteína. DNA → DNA é a replicação, DNA → RNA é a transcrição e RNA → proteína é a tradução.

A transcrição reversa (RNA → DNA) acontece em alguns vírus, como o HIV, com a enzima transcriptase reversa. Ou seja, o fluxo às vezes pode ir no sentido contrário (dogma central invertido).

Transcrição

Só uma cadeia é copiada. A cadeia molde (3′→5′) é lida; a outra é a cadeia codificante (5′→3′), que tem a mesma sequência do RNA, exceto T no lugar de U.

Uma unidade de transcrição tem um promotor (antes do gene, onde a RNA polimerase se liga), o gene estrutural e um terminador.

Nas bactérias

Uma única RNA polimerase faz todos os RNAs. Com o fator σ (sigma) ela começa (iniciação), faz o RNA crescer (alongamento) e, com o fator ρ (rô), para (terminação). A transcrição e a tradução podem ocorrer ao mesmo tempo porque não há núcleo.

Nos eucariontes

Código genético

George Gamow raciocinou: 4 bases precisam codificar 20 aminoácidos. 4¹ = 4 e 4² = 16 são poucos; 4³ = 64 é suficiente. Então o código é de trincas. Nirenberg, Khorana e Ochoa descobriram os códons.

Mutações e o código

Uma mutação pontual (uma base trocada) pode mudar um aminoácido (anemia falciforme). A inserção ou a perda de 1 ou 2 bases desloca o quadro de leitura (mudança de fase); acrescentar ou retirar 3 bases acrescenta ou retira um aminoácido e mantém o quadro. O tRNA é o adaptador: a alça do anticódon lê o códon e a ponta 3′ (CCA) carrega o aminoácido. Em 2D ele parece um trevo; em 3D, um L invertido.

Tradução

  1. Carregamento do tRNA (aminoacilação): cada aminoácido é preso ao seu tRNA, gastando ATP.
  2. Iniciação: a subunidade menor do ribossomo encontra o mRNA no AUG; a subunidade maior se junta. O ribossomo tem dois sítios para tRNAs.
  3. Alongamento: os tRNAs trazem aminoácidos códon por códon; formam-se ligações peptídicas (o rRNA 23S age como enzima, uma ribozima). O ribossomo avança no sentido 5′→3′.
  4. Terminação: num códon de parada, um fator de liberação solta o polipeptídeo.

O mRNA também tem regiões não traduzidas (UTRs) antes do AUG e depois do códon de parada; elas ajudam a tradução a ser eficiente.

Regulação da expressão gênica: o operon lac

As células só ligam os genes quando precisam deles. Nas bactérias, vários genes de uma mesma tarefa ficam juntos, com um promotor e um operador = um operon. Jacob e Monod descreveram o operon lac da E. coli:

Sem lactose: o repressor fica sobre o operador e bloqueia a RNA polimerase → genes desligados.

Com lactose: a lactose (o indutor) se liga ao repressor, muda a forma dele, e ele sai do operador → a RNA polimerase transcreve z, y, a → as enzimas são produzidas. Isso é regulação negativa de um operon induzível. Quando a lactose acaba, o repressor volta a se ligar.

Projeto Genoma Humano e genoma do arroz

O Projeto Genoma Humano (HGP) durou de 1990 a 2003 e leu os cerca de 3 × 10⁹ pb do DNA humano. Métodos: Etiquetas de Sequências Expressas (achar os genes expressos) e anotação de sequência (ler tudo e depois achar os genes). O DNA foi cortado em pedaços, clonado em vetores BAC/YAC, sequenciado por máquinas automáticas (método de Sanger) e montado por computadores usando as sobreposições.

Principais descobertas

Outros organismos sequenciados incluem o arroz, bactérias, levedura, Caenorhabditis elegans, a mosca-da-fruta e a Arabidopsis. O genoma do arroz ajuda a achar genes de produtividade, resistência a doenças e tolerância ao estresse.

Impressão digital de DNA

99.9% do DNA é igual em todos os humanos, então comparamos os 0.1% que diferem, principalmente o DNA repetitivo. Quando o DNA é centrifugado em gradiente de densidade, as repetições formam pequenos picos chamados DNA satélite. Eles não codificam proteínas e variam muito de pessoa para pessoa (polimorfismo). Alec Jeffreys desenvolveu o método usando VNTRs (Número Variável de Repetições em Tandem).

  1. Isolar o DNA (sangue, raiz de cabelo, saliva, sêmen).
  2. Cortá-lo com enzimas de restrição.
  3. Separar os fragmentos por eletroforese em gel.
  4. Transferir para uma membrana de náilon/nitrocelulose (Southern blotting).
  5. Adicionar uma sonda de VNTR marcada, que gruda nos pedaços correspondentes (hibridização).
  6. Detectar as bandas em filme de raios X (autorradiografia).

Um filho recebe metade das bandas da mãe e metade do pai. Usos: casos forenses, testes de paternidade, estudos de populações e de evolução. A PCR pode multiplicar amostras minúsculas antes.

Fórmulas e definições principais

Exemplos resolvidos

1. Uma amostra de DNA tem 20% de adenina. Ache a % de T, G e C.

Passo 1: A = T, então T = 20%. Passo 2: A + T = 40%, então G + C = 60%. Passo 3: G = C = 30% cada.

2. Uma molécula de DNA tem 1000 pares de bases, dos quais 300 são pares A–T. Quantas ligações de hidrogênio unem as duas cadeias?

Passo 1: pares G–C = 1000 − 300 = 700. Passo 2: ligações de H = 300 × 2 + 700 × 3 = 600 + 2100. Resposta: 2700 ligações de H.

3. Ache o comprimento de uma molécula de DNA com 5386 pares de bases (o tamanho do fago φX174).

Passo 1: comprimento = pb × 0.34 nm. Passo 2: 5386 × 0.34 = 1831.24 nm. Resposta: cerca de 1.83 µm.

4. Escreva o mRNA feito a partir da cadeia molde 3′-TACGCAATG-5′.

Passo 1: pareie cada base: T→A, A→U, C→G, G→C. Passo 2: mRNA 5′-AUGCGUUAC-3′. Passo 3: ele é igual à cadeia codificante 5′-ATGCGTTAC-3′, com U no lugar de T.

5. Um mRNA diz 5′-AUG UUU GGC AAA UGA-3′. Quantos aminoácidos terá a proteína e quais?

Passo 1: leia os códons: AUG (Met), UUU (Phe), GGC (Gly), AAA (Lys), UGA (parada). Passo 2: a parada não acrescenta aminoácido. Resposta: 4 aminoácidos: Met–Phe–Gly–Lys.

6. Uma proteína tem 300 aminoácidos. Qual é o número mínimo de bases na parte codificante do mRNA (com o códon de parada)?

Passo 1: 300 códons de aminoácidos + 1 de parada = 301 códons. Passo 2: 301 × 3 = 903 bases.

7. Uma E. coli com DNA só de ¹⁵N é passada para meio com ¹⁴N. Depois de 3 gerações, que fração das moléculas de DNA é híbrida?

Passo 1: moléculas após 3 gerações = 2³ = 8 (a partir de uma). Passo 2: só 2 mantêm uma cadeia antiga de ¹⁵N → híbridas. Passo 3: 2/8 = 1/4 híbridas, 6/8 = 3/4 leves.

8. No mRNA AUG CCU AAA UGA, uma base (o C da posição 4) é perdida. O que acontece?

Passo 1: nova sequência AUG CUA AAU GA… Passo 2: os códons mudam depois da perda: Met–Leu–Asn… Passo 3: é uma mutação de mudança de fase: todos os aminoácidos seguintes mudam e o códon de parada pode se perder.

Erros comuns

Quiz de prática

1. Qual experimento provou que o DNA é o material genético usando ³²P e ³⁵S?
2. A distância entre dois pares de bases no DNA B é:
3. Qual RNA polimerase dos eucariontes produz o hnRNA?
4. O indutor do operon lac é:
5. Os VNTRs usados na impressão digital de DNA são um tipo de:

Prática: responda você mesmo

Digite ou escolha sua resposta e aperte Conferir. Use a dica se travar; a solução completa aparece depois que você responder.

Perguntas frequentes

Qual é a diferença entre replicação e transcrição?

A replicação copia o DNA inteiro (as duas cadeias) para fazer DNA antes da divisão celular. A transcrição copia só um gene, a partir de uma cadeia, para fazer RNA.

Por que o DNA é um material genético melhor do que o RNA?

O DNA é mais estável (não tem 2′-OH e tem timina) e tem cadeia dupla, então consegue reparar erros. O RNA reage com facilidade e muda rápido.

Que perguntas deste capítulo caem na prova?

Hershey–Chase, Meselson–Stahl, esquema do operon lac, unidade de transcrição, características do código genético, descobertas do HGP e etapas da impressão digital de DNA costumam cair bastante.

Onde isso é ensinado

Canada (Ontario)Grade 12D. Molecular Genetics
ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªBiology
ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªBiology
ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªBiology
ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªBiology
ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªBiology
ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªBiology
NetherlandsHAVO 5 (eindexamenjaar)Self-organisation of cells
NetherlandsVWO 6 (eindexamenjaar)Self-regulation (part 3)
NetherlandsVWO 6 (eindexamenjaar)Self-organisation (part 2)
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IIIVI. Expression of genetic information in human cells
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IVXIII. Expression of genetic information
RomaniaClasa a XII-aGenetics
Spain4º ESOGenetics and evolution
Spain2º BachilleratoMolecular genetics
Ukraine9 класHeredity and variation
CBSE (India)Class 12Genetics and Evolution
England (GCSE, A level)Year 123.1 Biological molecules
England (GCSE, A level)Year 123.4 Genetic information, variation and relationships
England (GCSE, A level)Year 133.8 The control of gene expression
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Gene Expression and Regulation
Japan高校1年Characteristics of living things
Japan高校2年Gene expression and development
South Korea고등학교 2학년Genes and genetic material
South Korea고등학교 2학년Gene expression
South Korea고등학교 3학년Gene expression and control
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 12Genetics and genetic engineering
FranceTerminaleHuman biology and pathophysiology
FranceTerminalePart S: scientific concepts
Russia10 классGenetic information in the cell
Russia10 классLife processes of the cell
China高一Comp.2 Ch.4 Gene expression

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