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Curso: Biblioteca de Biologia > Unidade 17
Lição 3: Replicação do DNA- Replicação do DNA e transcrição e tradução do RNA
- Fitas leading e lagging na replicação do DNA
- Velocidade e precisão na replicação do DNA
- Estrutura molecular do DNA
- Mecanismo molecular da replicação do DNA
- Modelo de replicação do DNA: Experimento de Meselson-Stahl
- Verificação e reparo do DNA
- Telômeros e telomerase
- Replicação do DNA
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Modelo de replicação do DNA: Experimento de Meselson-Stahl
Um experimento histórico chave que demonstrou o mecanismo semiconservativo da replicação do DNA.
Pontos Principais:
- Existiam três modelos para como os organismos poderiam replicar seu DNA: semi conservativo, conservativo e dispersivo.
- O modelo semi conservativo, no qual cada fita de DNA serve de modelo para fazer uma nova fita, complementar, parecia o mais plausível, com base na estrutura do DNA.
- Os modelos foram testados por Meselson e Stahl, que marcaram o DNA de bactérias, por várias gerações, usando isótopos de nitrogênio.
- Pelo padrão das marcas de DNA que eles viram, Meselson e Stahl confirmaram que o DNA se replica semiconservatimente.
Forma de replicação do DNA
Imagine-se em 1953, depois que a estrutura de dupla hélice do DNA havia sido recém descobertastart superscript, 1, end superscript. Quais perguntas poderiam estar na sua mente e na mente de outros cientistas?
Uma grande questão era sobre a replicação do DNA. A estrutura de dupla hélice do DNA forneceu uma dica tentadora sobre como a cópia poderia ocorrerstart superscript, 1, comma, 2, end superscript. Parecia provável que as duas fitas complementares da hélice poderiam se separar durante a replicação e cada uma servir de modelo para a construção de uma fita correspondente nova.
Mas esse era realmente o caso? Alerta de spoiler: a resposta é sim! Nesse artigo, vamos olhar um famoso experimento, às vezes chamado "o mais bonito experimento na biologia", que estabeleceu o mecanismo básico de replicação do DNA como semi conservativo—ou seja, que produz moléculas de DNA contendo uma fita nova e uma velhacubed.
Os três modelos de replicação do DNA
Havia três modelos básicos para a replicação do DNA que foram propostos pela comunidade científica depois da descoberta da estrutura do DNA. Esses modelos estão ilustrados no diagrama abaixo:
- Replicação semi conservativa. Nesse modelo, as duas fitas de DNA se desconectam e cada uma serve de modelo para a síntese de uma fita complementar nova. O resultado são duas moléculas de DNA com uma fita original e uma fita nova.
- Replicação conservativa. Nesse modelo, a replicação do DNA resulta em uma molécula formada por duas fitas originais de DNA (idênticas à molécula original de DNA) e outra molécula formada por duas novas fitas (com exatamente a mesma sequência da molécula original).
- Replicação dispersiva No modelo dispersivo, a replicação do DNA resulta em duas moléculas de DNA que são misturas, ou “híbridas,” de DNA parental e da molécula filha. Nesse modelo, cada fita individual é uma colcha de retalhos do DNA novo e do original.
A maioria dos biólogos daquela época teriam apostado seu dinheiro no modelo semi conservativo. Esse modelo fazia sentido devido à estrutura de dupla hélice do DNA, em que as duas fitas de DNA são perfeita e previsivelmente complementares uma a outra (onde uma tem um T, a outra tem um A; onde uma tem um G, a outra tem um C e assim por diante)start superscript, 2, comma, 4, end superscript. Essa relação tornou fácil imaginar que cada fita serve de modelo para a síntese do seu par.
Entretanto, a biologia também está cheia de exemplos em que a solução “óbvia” acaba por não ser a correta. (Proteína como material genético, quem se lembra?). Portanto era necessário determinar experimentalmente qual modelo era realmente utilizado pelas células para replicarem seu DNA.
Meselson e Stahl solucionaram o quebra-cabeça
Matt Meselson e Franklin Stahl originalmente se encontraram no verão de 1954, o ano depois que Watson e Crick publicaram seu artigo sobre a estrutura do DNA. Apesar de os dois terem interesses diferentes de pesquisa, eles ficaram intrigados com a questão da replicação do DNA e decidiram se juntar e tentar descobrir o mecanismos de replicaçãostart superscript, 5, end superscript.
O experimento Meselson-Stahl
Meselson e Stahl conduziram seus famosos experimentos sobre a replicação do DNA usando bactérias E. coli como sistema modelo
Eles começaram cultivando E. coli em um meio, ou caldo nutritivo, contendo um isótopo "pesado" de nitrogênio, start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text. (Um isótopo é apenas uma versão de um elemento que difere de outras versões pelo número de nêutrons em seu núcleo.) Quando cultivadas em meio contendo start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text pesado, as bactérias assimilaram o nitrogênio e o utilizaram para sintetizar novas moléculas biológicas, incluindo o DNA.
Após muitas gerações crescendo em meio de start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text, as bases nitrogenadas do DNA das bactérias foram todas marcadas com start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text pesado. Em seguida, as bactérias foram trocadas para meio contendo um isótopo leve de start superscript, 14, end superscript, start text, N, end text e o crescimento foi mantido por várias gerações. O DNA produzido após a mudança teria que ser composto por start superscript, 14, end superscript, start text, N, end text, já que este teria sido o único nitrogênio disponível para a síntese de DNA.
Meselson e Stahl sabiam com que frequência as células de E. coli se dividiam, portanto puderam coletar pequenas amostras de cada geração e extrair e purificar seu DNA. Eles, então, mediram a densidade do DNA (e, indiretamente, seu conteúdo de start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text e start superscript, 14, end superscript, start text, N, end text) usando centrifugação por gradiente de densidade.
Esse método separa moléculas como o DNA em bandas ao girá-las em alta velocidade na presença de outra molécula, como Cloreto de Césio, que forma um gradiente de densidade do topo para o fundo do tubo. A centrifugação por gradiente de densidade permite que pequenas diferenças—como aquelas entre DNA marcado com start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text- e start superscript, 14, end superscript, start text, N, end text—sejam detectadas.
Resultados do experimento
Quando o DNA das primeiras quatro gerações de E. coli foi analisado, ele produziu o padrão de bandas mostrado na figura abaixo:
O que esse resultado disse a Meselson e Stahl? Vamos repassar as primeiras gerações, que fornecem as informações essenciais.
Geração 0
O DNA isolado das células no início do experimento ("geração 0," antes da mudança para o meio de start superscript, 14, end superscript, start text, N, end text) produziu uma única faixa após a centrifugação. Este resultado fez sentido, porque nesse momento esperava-se que o DNA contivesse apenas o start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text pesado.
Geração 1
O DNA isolado depois de uma geração (uma rodada de replicação do DNA) também produziu uma única banda quando centrifugado. No entanto, esta banda foi superior, intermediária na densidade entre o DNA pesado de start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text e o DNA leve de start superscript, 14, end superscript, start text, N, end text.
A banda intermediária mostrou a Meselson e Stahl que as moléculas de DNA feitas na primeira rodada de replicação eram híbridas de DNA leve e pesado. Esse resultado se encaixa com os modelos dispersivos e semi-conservativo, mas não com o modelo conservativo.
O modelo conservativo teria previsto duas bandas distintas nesta geração (uma banda para a molécula original pesada e uma banda para a leve, a molécula feita recentemente).
Geração 2
Informações da segunda geração permitiram Meselson e Stahl determinar qual dos modelos restantes (semiconservativo ou dispersivo) era realmente correto.
Quando o DNA da segunda geração foi centrifugado, produziu duas bandas. Uma estava na mesma posição que a banda intermediária da primeira geração, enquanto a segunda era superior (parecia ser marcada apenas com start superscript, 14, end superscript, start text, N, end text).
Este resultado revelou a Meselson e Stahl que o DNA estava sendo replicado semiconservativamente. O padrão de duas bandas distintas — uma na posição de uma molécula híbrida e uma na posição de uma molécula leve — é exatamente o que esperaríamos para replicação semiconservativa (conforme ilustrado no diagrama abaixo). Em contraste, na replicação dispersiva, todas as moléculas deveriam ter pedaços do velho e do novo DNA, tornando-se impossível conseguir uma molécula "puramente leve".
Gerações 3 e 4
No modelo semiconservativo, seria esperado que cada molécula de DNA híbrida da segunda geração desse origem a uma molécula híbrida e uma molécula leve de terceira geração, enquanto que cada molécula de DNA leve só produziria mais moléculas leves.
Assim, nas terceira e quarta gerações, esperaríamos a banda híbrida tornar-se progressivamente mais fraca (porque representaria uma fração menor do DNA total) e a banda leve torne-se progressivamente mais forte (porque representaria uma fração maior).
Como podemos ver na figura, Meselson e Stahl observaram exatamente este padrão em seus resultados, confirmando um modelo de replicação semiconservativa.
Conclusão
O experimento feito por Meselson e Stahl demonstrou que o DNA replicou-se semiconservativamente, significando que cada fita em uma molécula de DNA serve como um modelo para a síntese de uma fita nova, complementar.
Embora Meselson e Stahl tenham feito seus experimentos em bactéria E. coli, sabemos hoje que a replicação de DNA semiconservativa é um mecanismo universal, compartilhado por todos os organismos no planeta Terra. Algumas das suas células estão replicando seu DNA semiconservativamente agora mesmo!
Quer participar da conversa?
3) Meselson, Stahl e Taylor, demonstraram a duplicação semi-conservativa do DNA. a) Dispondo de uma cultura de linfócitos, como demonstrar na prática a duplicação semi-conservativa? O que se observa nas células em metáfase? Faça um esquema.
b)Suponha que você utilize isótopos radioativos para demonstração prática do item (a).
Alguém poderia me ajudar com essa questão? Obrigada!(1 voto)