Natureza e estrutura do material hereditário

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O material genético deve ser: 
 Capaz de levar grandes quantidades de 
informação; 
 Replicar-se fielmente; 
 Traduzir suas instruções codificadas em 
fenótipos. 
A ideia de que os genes eram feitos de 
ácidos nucleicos não era aceita até a década de 
50. Ou seja, não se sabia sobre a sua estrutura 
tridimensional. Muita coisa já se sabia. 
Em 1868, o médico suíço Johann Friedrich 
Miescher estudou o pus. No pus, ele encontrou 
os leucócitos, glóbulos brancos, e os analisou. Os 
leucócitos possuem núcleos grandes – ele os 
isolou e identificou uma substância ácida e rica 
em fósforo (DNA + proteína). Na época, essa 
substância foi chamada de nucleína, e 
posteriormente chamada de ácido nucleico. 
 
Lâmina histológica com leucócitos 
 Em 1887, pesquisadores concluíram que a 
base física da hereditariedade estava no núcleo 
das células. A grande dúvida era: qual é o material 
hereditário? Seria o DNA – desoxirribonucleic 
acid – ou proteínas? 
 Um experimento importante aconteceu 
em 1928 pelo médico bacteriologista inglês 
Frederick Grifith. Ele estudava bactérias 
Streptococcus pneumoniae. Essa bactéria possui 
duas linhagens, uma lisa – porque quando se 
coloca na placa de pétri, as colônias tem as 
aspecto liso – e rugosa, porque as colônias tem 
aspecto rugoso. 
 
 As bactérias da linhagem lisa possuíam 
uma capa de polissacarídeo que conferem a 
virulência; são letais. A linhagem de rugosas é 
inofensiva. 
1. É inoculada a linhagem de bactérias 
virulentas em um camundongo; o 
camundongo morre. 
2. É inoculada a linhagem de bactérias não 
virulentas em um camundongo, o 
camundongo sobrevive. 
3. É inoculada a linhagem de bactérias 
virulentas mortas pelo calor em um 
camundongo; o camundongo sobrevive. 
4. É inoculada a linhagem de bactérias 
virulentas mortas pelo calor em um 
camundongo + linhagem de bactérias não 
virulentas; o camundongo morre. 
Na época, foi concluído que existia um 
princípio transformante, que transformava a 
linhagem inofensiva (rugosa) na linhagem fetal 
(lisa). Eles não conseguiram distinguir nada, mas 
esse princípio transformante seria a transmissão 
do material genético das bactérias mortas, lisas, 
para as vivas, rugosas. 
Houve, na realidade, a transmissão do gene 
para a formação de cápsula de polissacarídeo, 
que torna as bactérias potencialmente letais pela 
sua presença. 
 
 Após 10 anos de pesquisa, em 1943, eles 
conseguiram isolar e purificar a substância 
transformante. E o resultado do experimento 
forneceu evidência conclusiva que o princípio 
transformante era o DNA e não a proteína. 
Porém, muitos biólogos ainda se recusavam em 
aceitar esta conclusão naquele momento. 
 O experimento foi realizado utilizando-se 
diversos tipos de enzimas que destruía alguma 
coisa, colocando a linhagem rugosa junto delas 
na placa. Como resultado, foi encontrado que, 
com a linhagem rugosa: 
Enzima degradadora 
de polissacarídeo 
Se transformou. 
Tripsina Se transformou 
RNAse Se transformou 
DNAse Não se transformou 
Lipase Se transformou 
 Apenas a DNAse falhou da conversão da 
linhagem rugosa em linhagem lisa. Isso significa 
que o DNA era o princípio transformador, uma 
vez que a transformação não foi feita porque o 
DNA tinha sido destruído. 
 Entretanto, vários cientistas ainda não 
acreditavam nessa teoria. 
 Em 1952, foi chegada à conclusão de que 
o DNA era o material genético. Eles utilizaram um 
bacteriófago, que é um vírus que infecta 
bactérias. Se sabia que os bacteriófagos 
possuíam DNA ou RNA constituído de fósforo 
dentro de si, e possuía uma capa proteica 
constituída de enxofre. 
 
 Em seu experimento, eles marcaram 
radioativamente hora o fósforo do material 
genético, hora o enxofre da capa proteica. Esses 
dois tipos de bacteriófagos infectaram as 
bactérias separadamente. Depois da infecção, o 
bacteriófago foi removido da bactéria por 
agitação. As partículas virais foram separadas das 
bactérias por centrifugação. Por testes de 
radioatividade, puderam analisar onde estaria esse 
marcado radioativo. 
 As bactérias que foram infectadas por 
fósforo radioativo continham DNA radioativo. Isso 
indicava que o DNA foi passado do vírus para a 
bactéria. As bactérias infectadas por enxofre 
radioativo não continham DNA radioativo. Isso 
indicava que proteínas não passaram do vírus 
para a bactéria. 
 Com isso, se concluiu que o DNA era o 
material genético que era passado de um vírus 
para uma bactéria. 
 
 O que se sabia na época era através dos 
estudos do químico Albrecht Kossel, em 1890. Ele 
fez análises químicas nos ácidos nucleicos e 
identificou as bases nitrogenadas (A, T, C, G) 
presentes no DNA. 
 O bioquímico Phoebus Levene, em 1905, 
identificou a composição dos nucleotídeos, ou 
seja, mostrou que eles eram compostos 
formados por um grupamento fosfato (ácido 
fosfórico), uma pentose e uma base nitrogenada. 
 
Bases nitrogenadas 
 
Estrutura dos nucleotídeos 
 Esse açúcar (monossacarídeo) ou 
pentose poderia ser uma ribose ou uma 
desoxirribose. 
 
 A base nitrogenada sempre se liga ao 
carbono 1’ e o grupamento fosfato, sempre ao 
carbono 5’. 
O bioquímico Erwin Chargaff, na década 
de 1940, fez uma relação entre as purinas, que 
são a adenina e a guanina, com as pirimidinas, 
citosina e timina. 
Ou seja, sempre teremos a ligação de A 
com T e de C com G. Assim, haverá uma 
mesma quantidade em número de bases 
nitrogenadas de adenina e de timina, assim como 
teremos a mesma quantidade em número de 
bases nitrogenadas citosina e guanina.. 
 
 As regras de Chargaff são: 
𝑛º 𝑑𝑒 𝑝𝑢𝑟𝑖𝑛𝑎𝑠 = 𝑛º 𝑑𝑒 𝑝𝑖𝑟𝑖𝑚𝑖𝑑𝑖𝑛𝑎𝑠 
𝑛º 𝑑𝑒 𝐴 = 𝑛º 𝑑𝑒 𝑇 
𝑛º 𝑑𝑒 𝐶 = 𝑛º 𝑑𝑒 𝐺 
𝐴/𝑇 = 1 
𝐶/𝐺 = 1 
(𝐴 + 𝐺)/(𝐶 + 𝑇) = 1 
 Exemplo: Se tenho 20% de adenina, 
tenho 20% de timina, pois A combina-se com T. 
O que sobra, 60%, corresponde a 30% de 
citosina e 30% de guanina. 
 
 Chargaff descreveu que as bases 
nitrogenadas tinham composições diferentes nas 
diversas espécies, embora só tenhamos quatro 
bases – elas se combinam de formas e 
quantidades diferentes nas diversas espécies. 
 
Um estudo de imensa importância foi também o 
da química Rosalind Elsie Franklin, em 1950. 
Através de uma técnica chamada de 
cristalografia de raios x, ela podia obter 
informações sobre a posição dos átomos em 
uma estrutura. 
 Rosalind fazia a incidência de raios x que 
eram difratados em DNA cristalizado em placas 
de raio x. Formava-se padrões que podiam ser 
fotografados. Portanto, foi possível ver a 
estrutura tridimensional do DNA. 
 Diâmetro da molécula de DNA: 2 nm. 
 
 James Watson e Francis Crick, ambos na 
universidade de Cambrige, na Inglaterra, em 1953, 
o modelo tridimensional do DNA em madeira. O 
modelo, então, seria de dupla hélice. 
 
 Modelo em dupla hélice ou escada em 
caracol; 
 Os filamentos gêmeos eram formados 
por quatro pares de bases nitrogenadas 
interligadas por ligações de hidrogênio; 
 Os dois filamentos poderiam se separar 
facilmente formando cópias de si mesma 
com a mesma com a mesma informação 
genética codificada. 
 
 Sempre se liga ao carbono 5’. 
 Um átomo de fósforo ligado a quatro 
átomos de oxigênio. 
 Possui carga negativa. 
 
 Açúcar, monossacarídeo, com 5 átomos 
de carbono, numerados de 1’ a 5’. 
 Localizada entre o grupamento fosfato e 
a base nitrogenada. 
 
 Purinas ou púricas: Adenina (A) e Guanina 
(G). Um anel de seis lados + um anel de 
5 lados. 
 Pirimidinas ou pirimídicas: Citosina (C) e 
Timina (T). Um anel de seis lados. 
 
 
 
 A fita tem uma direção 5’ para 3’, 
marcada pelos carbonos livres em cada 
extremidade. 
 Ligação covalente fosfodiéster 3’ – 5’ 
mantém os nucleotídeos do DNA ligados 
de forma regular. 
 
Um curto segmento de uma cadeia da molécula de 
ácido desoxirribonucleico (DNA) mostra as ligações 
covalentes fosfodiéster ligando três nucleotídeos 
consecutivos. 
 
Pontes de hidrogênio entre basesnitrogenadas. 
 As bases nitrogenadas se ligam formando 
pontes de hidrogênio. Entre guanina e 
citosina se formam três pontes de 
hidrogênio e entre adenina timina, duas. 
A ligação entre a timina e a adenina é mais 
fraca do que a ligação entre a guanina e citosina. 
Isso pode ter consequências quando pensamos 
em uma mutação ou alguma quebra mais fácil 
nas regiões A-T quando comparadas à região de 
que C-G. 
 Filamentos complementares com a fita 
inversa, ou seja, são complementares 
desde que as fitas sejam antiparalelas. 
 Extremidade 5’ – grupo fosfato ligado ao 
C5’ do açúcar. 
 Extremidade 3’ – OH ao ligado C3’ do 
açúcar desoxirribose. 
 Estrutura de dupla hélice = estrutura 
secundária do DNA. 
 
 As difrações de raio x possibilitaram não 
só a demonstração do modelo, mas também nos 
levaram a conseguir novas medidas: diâmetro da 
fita, distancia entre as bases, comprimento do 
período, ângulo da hélice, número de bases por 
giro. 
 Distância entre as bases (0,34 nm = 3.4À) 
 Comprimento do período (3,4 nm = 
34À) 
 Ângulo da hélice (36°) 
 10 bases por giro da molécula. 
 O sentido ou orientação da rotação da 
dupla hélice é para a direita, ou no sentido 
anti-horário. 
 Há um sulco menor e um sulco maior. 
 
 A estrutura terciária do DNA é o 
cromossomo. A dupla hélice, compactada com as 
proteínas histonas e as proteínas não histonas, 
formam uma compactação ou condensação 
chamada de cromossomos. Eles são formados 
de DNA, de proteínas e de um pouco de RNA. 
 
 
A cada divisão celular, uma célula deve 
copiar seu genoma com precisão extraordinária. 
Na época em que o DNA foi descoberto 
também não se sabia, mas haviam três hipóteses. 
 A molécula mãe permanece intacta e 
novas cópias são feitas. As moléculas filhas 
contêm somente filamentos novos. 
Nesse caso, o primeiro ciclo de replicação 
iria resultar na dupla-hélice parental original e em 
uma dupla-hélice inteiramente nova. 
 Cada filamento das moléculas filhas 
contém uma mistura de partes novas e velhas. 
No modelo dispersivo, cada geração de DNA filho 
conteria uma mistura de DNA das fitas parentais 
e o DNA recém-sintetizado. 
 
 As moléculas 
filhas contêm um 
filamento original e um 
filamento novo. Cada 
fita parental atua como 
um molde para a 
síntese de uma nova 
fita-filha. O primeiro 
ciclo de replicação 
deveria produzir duas 
moléculas híbridas, 
cada uma contendo 
uma fita parental 
original além de uma 
fita recém-sintetizada. 
Um ciclo subsequente de replicação 
deveria resultar em duas moléculas híbridas e 
duas moléculas que nada contêm do DNA 
parental original. 
 Em 1958, Matthew Meselson e Franklin 
Stahl realizaram um experimento que mostrou 
que a replicação do DNA é semiconservativa. 
 O DNA possui nitrogênio normal, N14. Eles 
cultivaram bactérias E. coli em um meio que só 
tinha nitrogênio pesado, ou nitrogênio N15. 
 N14 – nitrogênio mais leve; DNA mais leve. 
 N15 – nitrogênio mais pesado; DNA mais 
pesado. 
Ao longo de muitas gerações, todas as 
bactérias tinham seus DNA marcado com N15. E 
depois eles pegaram essas bactérias e fizeram 
crescer uma geração em um meio contendo 
somente nitrogênio N14 por duas gerações. 
Depois, foi realizada uma centrifugação dos 
DNA com cloreto de césio (CsCl) em tubos de 
ensaio. Foi possível identificar a banda dos DNA, 
pelo gradiente de densidade. 
 O DNA mais pesado ficou mais ao fundo 
do tubo. 
 
 O DNA mais leve ficou mais ao topo do 
tubo. 
 
 O DNA de peso intermediário no meio, 
proveniente da geração F1 das bactérias. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Após a primeira geração, F1, se tinha uma 
banda intermediária – uma fita de N14 e uma fita 
de N15. Na segunda geração, F2, a fita mãe – 
intermediária, formou uma fita filha, com uma 
banda de N14 e uma banda intermediária. 
 Foi detectado, a partir desses 
experimentos, que a replicação do DNA é 
semiconservativa. 
 O ácido ribonucleico como material 
genético foi detectado através do experimento 
de Heinz Fraenkel-Conrat e Beatrice Singer em 
1956. Eles realizaram estudos com vírus de RNA 
que infecta as plantas de tabaco. Esse vírus 
possui o material genético dentro dele e uma 
capa proteica – capsídeo. 
 Temos dois tipos de RNA, o do vírus da 
planta A e o do vírus da planta B e dois tipos de 
proteína., as proteínas do vírus da planta A e as 
proteínas do vírus da planta B. Foi realizada uma 
reconstituição de alguns vírus híbridos, com 
proteínas diferentes e RNA diferentes. Ou seja, a 
planta B recebeu RNA viral da planta A e a planta 
A recebeu RNA viral da planta B. 
 Descobriram, então, que o RNA era quem 
mandava a informação genética, uma vez que a 
presença dele provocava o tipo de planta do 
tabaco A ou B. 
 
Nucleotídeos: 
 Fosfato – ácido fosfórico. 
 Açúcar (monossacarídeos) – ribose. 
 Base – adenina (A), uracila (U), guanina (G) 
e citosina (C). 
 
 A uracila é uma pirimidina, ou 
seja, possui um anel com 
seis lados. 
 A timina é usada no DNA e a 
uracila é usada no RNA. 
 Quem liga com o A é o U e não mais T. 
 
 Único filamento polinucleotídico (simples). 
 Filamento segue na direção 5’ para 3’. 
 Existe RNA de fita dupla em alguns vírus. 
 O genoma é o conjunto de diferentes 
moléculas de DNA de uma organela, célula ou 
organismo. O genoma humano consiste de 3x109 
pb de DNA dividido em 25 moléculas. A molécula 
de DNA mitocondrial mais as 24 diferentes 
moléculas de DNA cromossômico. 
1 𝑚 𝐷𝑁𝐴 𝑚𝑖𝑡𝑜𝑐𝑜𝑛𝑑𝑟𝑖𝑎𝑙 
+ 24 𝑚 𝑑𝑒 𝐷𝑁𝐴 𝑐𝑟𝑜𝑚𝑜𝑠𝑠ô𝑚𝑖𝑐𝑜
= 25 𝑚 𝑑𝑒 𝐷𝑁𝐴 
 O conjunto cariotípico dos humanos 
consiste de 2n = 46 cromossomos. Ou seja, 
temos 22 pares de cromossomos autossomos e 
1 par de cromossomos sexuais, X e Y. 
Esclarecendo, de DNA diferentes temos 24, 22 
dos cromossomos autossomos, 1 do 
cromossomo X e 1 do DNA mitocondrial. 
 Do genoma humano, no DNA nuclear, 
apenas 1,1% são genes codificadores de proteínas 
e o restante de genes de RNA e outras 
sequências regulares. No genoma mitocondrial, 
temos 66% de sequências codificadoras de 
proteínas e o restante de RNA e sequências 
regulares. 
 A análise do DNA mitocondrial só é 
possível através de biologia molecular, por 
sequenciamento e DNA nuclear, análise por 
biologia molecular e análise de cariotípica de 
visualização dos cromossomos. 
 
 DNA mitocondrial 
 Cada cromossomo é uma molécula única 
de DNA enovelado com proteínas e em uma 
denominada sequência chamada de gene, que 
possuem os alelos A ou a. O que distingue os 
alelos são mutações ou troca de pares de bases, 
conferindo a um indivíduo diferentes pares de 
alelos. 
 
 
 
 
 O cromossomo 1 é o maior cromossomo, 
caminhando até o 23, que é o menor. 
 
 A quantidade de genes em cada 
cromossomo não tem relação obrigatória com o 
tamanho. 
 
 O grande volume de informação genética 
em eucariotos é armazenado na molécula 
de DNA, ou seja, exceto em alguns vírus, 
o DNA funciona como o material genético 
na maioria dos seres vivos. 
 De acordo com o modelo de Watson e 
Crick, a estrutura de qualquer molécula 
de DNA é um polímero de açúcar-
fosfato; no entanto, é a sequência das 
bases nitrogenadas ligadas ao açúcar que 
determina a identidade e a função 
genética de qualquer sequência de DNA. 
 O DNA existe sob a forma de uma dupla 
hélice de orientação anti-horária; as fitas 
são antiparalelas e se conservam unidas 
por pontes de hidrogênio entre as bases 
nitrogenadas complementares. 
 O modelo da estrutura do DNA 
revolucionou totalmente a maneira como 
os geneticistas analisam seus dados: gene 
como um objeto molecular real. Genes 
são segmentos discretos de DNA que 
são usados como molde para a síntese 
de uma molécula de RNA complementar 
funcional. 
 A estrutura da dupla hélice demonstrou 
que todos os genes apresentam 
basicamente a mesma forma 
tridimensional e que as diferenças entre 
dois genes se encontramna ordem e no 
número de seus quatro nucleotídeos 
construtores ao longo das fitas 
complementares. 
 A estrutura de fitas complementares 
sugeriu que uma fita serviria como uma 
superfície específica (molde) sobre a qual 
a outra seria produzida. Ou seja, modelo 
semi-conservativo.