Aula 9 Como ocorre a replicação do DNA

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Como ocorre 
a replicação do DNA 
Ao fi nal desta aula, você deverá ser capaz de:
• Apresentar as importantes descobertas relacionadas ao 
mecanismo de duplicação do material genético, chamado 
replicação.
• Compreender a importância que esse mecanismo exerce 
sobre a perpetuação da vida de todos os seres.
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Pré-requisitos
Conhecimentos adquiridos nas aulas sobre 
estrutura do DNA (2 a 4 Módulo 1). 
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Após a comprovação da natureza do material genético, ou seja, da 
descoberta de que o DNA é a molécula que armazena toda a informação 
que será utilizada pelo organismo para manifestar as suas características 
fenotípicas, através da produção de proteínas, surgiu o desafio de 
desvendar o mecanismo pelo qual essa informação é passada de uma 
célula-mãe para uma célula-fi lha durante o processo de divisão celular. 
Você deve estar lembrado de que o modelo desenvolvido por Watson e 
Crick, em 1953, descreveu a molécula de DNA como uma dupla-hélice 
formada por fi tas antiparalelas compostas pelos nucleotídeos A, T, G e C. 
Deve lembrar-se, ainda, de que as duas fi tas permanecem ligadas através 
de ligações fracas do tipo pontes de hidrogênio formadas entre as bases 
nitrogenadas dos nucleotídeos, sendo que a Adenina forma duas pontes de 
hidrogênio com a Timina, e a Guanosina forma três pontes de hidrogênio 
com a Citosina. Esse modelo mostrou ser ideal para o armazenamento e 
transmissão da informação genética, mas você deve estar se perguntando 
o porquê desta afi rmação. Vamos observar o esquema apresentado na 
Figura 9.1 e acompanhar o raciocínio a seguir.
INTRODUÇÃO
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Figura 9.1: Quando duas fi tas de DNA estão ligadas por pontes de hidrogênio, as pontes podem ser rompidas. 
Assim, a base nitrogenada de cada nucleotídeo presente em cada uma das fi tas apresenta a capacidade de formar 
pontes de hidrogênio com a base nitrogenada complementar de um outro nucleotídeo.
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O DNA é composto por duas fitas complementares, certo? 
As ligações entre as duas fi tas são do tipo pontes de hidrogênio, que 
podem ser facilmente rompidas e restauradas conforme já estudamos 
na Bioquímica. Muito bem, então essa estrutura de dupla-hélice pode 
ser rompida com uma certa facilidade levando à formação de duas fi tas 
simples. Pois bem, cada uma das bases nitrogenadas de cada um dos 
nucleotídeos presentes em cada uma das fi tas separadas estão aptas a formar 
pontes de hidrogênio com as bases nitrogenadas de outros nucleotídeos.
Se houver uma Adenosina livre, ela poderá formar duas pontes de 
hidrogênio com uma Timina. Da mesma forma, se houver uma Citosina 
livre, ela poderá formar três pontes de hidrogênio com uma Guanosina 
e assim, sucessivamente, todas as bases poderão se ligar a novas bases, 
de modo que duas novas dupla-hélices poderão ser formadas a partir 
de duas fi tas simples. 
Parece simples, não é? Esse mecanismo foi proposto por Watson 
e Crick na ocasião da divulgação da estrutura do DNA, e recebeu o 
nome de replicação, que implica a potencialidade de se produzir infi nitas 
réplicas de um DNA a partir de uma única dupla-hélice. Mais adiante, 
veremos em detalhes como esse mecanismo ocorre. 
Vejamos, agora, quais as possibilidades disso acontecer. Em 
teoria, a replicação do DNA poderia ocorrer de três diferentes maneiras, 
conforme ilustrado na Figura 9.2.
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Figura 9.2: Os esquemas 
apresentam os três possíveis 
tipos de replicação: (a) semi-
conservativa; (b) conservativa 
e (c) dispersiva.
A replicação semiconservativa mostrada na Figura 9.2.a (modelo 
defendido por Watson e Crick) implica na síntese de duas moléculas-fi lhas 
de DNA na qual a fi ta original da molécula-mãe, que foi utilizada como 
molde, é mantida (por isso é chamada semi, que quer dizer metade!), 
e a segunda complementar corresponde à fi ta-fi lha sintetizada a partir 
do molde. 
A replicação conservativa mostrada na Figura 9.2.b implica na 
síntese de duas fi tas complementares, que usam a molécula-mãe como 
molde, mas, após a síntese, essas moléculas seriam separadas dos seus 
moldes e formariam uma nova molécula, de modo que a molécula-mãe 
manteria as duas fi tas originais conservadas.
A replicação dispersiva, por sua vez, mostrada na Figura 9.2.c, 
implica na síntese de duas fi tas complementares, que usam a molécula-mãe 
como molde, mas, após a síntese, as moléculas resultantes seriam formadas 
pela junção de partes da fi ta-mãe e partes da fi ta recém-sintetizada, gerando 
moléculas mistas. 
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O primeiro modelo parece o mais simples, não é mesmo? E 
também o mais óbvio, por isso foi defendido por Watson e Crick logo 
no início. A solução das dúvidas muitas vezes se encontra na realização 
de experimentos elegantes e inteligentes. Acompanhe o que foi feito. 
Em 1958, Matthew Meselson e Franklin Stahl utilizaram a bactéria 
Escherichia coli para desvendar o modelo. Os pesquisadores cultivaram 
Escherichia coli em meio contendo um isótopo de nitrogênio pesado, N15, 
em substituição ao isótopo normal N14. As bases nitrogenadas do DNA 
possuem nitrogênio. Assim, o DNA das células que foram crescidas na 
presença de N15 apresentaram uma densidade maior do que o DNA das 
células crescidas na ausência de N15. 
Você deve estar pensando: “Mas como é que eles fi zeram para 
separar o DNA mais denso do DNA menos denso? E quem era quem?” 
Então, vamos tentar entender, explicando a técnica que foi utilizada. 
Você pode acompanhar a explicação seguindo o esquema mostrado na 
Figura 9.3.
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Figura 9.3: Gradiente de equilíbrio de densidade de Cloreto de Césio.
A densidade da maioria dos DNAs é semelhante à densidade de 
soluções concentradas de sais pesados, tais como Cloreto de Césio (CsCl). 
Por exemplo, a densidade do CsCl a 6M é de cerca de 1,7 g/cm3 e a densidade 
do DNA de Escherichia coli contendo N14 é de 1,710 g/cm3. A substituição 
de N14 por N15 aumenta a densidade do DNA para 1,724 g/cm3. Quando 
uma solução de CsCl a 6M é submetida à centrifugação em alta velocidade 
(30.000 a 50.000 revoluções por minuto) durante 48 horas, ocorre a 
formação de um gradiente de equilíbrio de densidade. 
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A força centrifugal causada pela centrifugação em alta velocidade 
sedimenta o sal no fundo do tubo. Em contrapartida, a força de difusão 
resulta no movimento de moléculas de sais de volta para a parte superior 
do tubo, só que em concentração baixa. Após um tempo longo de 
centrifugação, o equilíbrio entre a força de centrifugação e difusão 
é atingido, de modo que nesse momento existe um gradiente linear 
crescente de concentração de sal do topo para o fundo do tubo. 
A densidade do CsCl a 6M é de cerca de 1,7 g/cm3 no equilíbrio. 
Após a centrifugação, o gradiente linear de densidade irá variar de 
1,65g/cm3 no topo do tubo a cerca de 1,75 g/cm3 no fundo do tubo. Se 
houver DNA nessa solução de CsCl e, conseqüentemente, no gradiente, 
o mesmo se moverá para uma posição na qual a densidade da solução 
de CsCl seja igual a dele. 
Assim, um DNA com densidade 1,71 g/cm3 estará em uma posição 
diferente de um DNA com densidade 1,724 g/cm3, o que tornará possível 
a separação do DNA mais denso do DNA menos denso.
Voltemos agora para o experimento de Meselson e Stahl. Após 
o cultivo das células durante algum tempo napresença de N15, todo o 
DNA estava mais pesado que o normal (mais denso). O próximo passo 
foi retirar todo o meio de cultura contendo N15 e adicionar meio de 
cultura contendo o N14 . 
A Escherichia coli se divide a cada vinte minutos, de modo que, 
após cada divisão, um ciclo de replicação do DNA está completo. Assim, 
coletando células em diferentes intervalos de tempo, extraindo seu DNA 
e submetendo-os ao gradiente já descrito foi possível desvendar como se 
dá o mecanismo de replicação.
Antes de chegarmos ao resultado fi nal, vamos analisar que modelos de 
replicação poderiam ser criados de acordo com os padrões que viessem a ser 
obtidos após o gradiente de equilíbrio de centrifugação. Vamos acompanhar 
o esquema apresentado na Figura 9.4 e as explicações a seguir.
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Figura 9.4: Padrões esperados para os diferentes tipos de replicação após o gradiente de equilíbrio de Césio.
Para a replicação semiconservativa mostrada na Figura 9.4.a, 
ao fi nal do primeiro ciclo, todas as moléculas apresentariam um peso 
intermediário resultante da presença de uma fi ta leve e uma fi ta pesada. 
No fi nal do segundo ciclo, metade das moléculas apresentaria um peso 
intermediário (uma fi ta leve e a outra fi ta pesada) e a outra metade seria 
leve (duas fi tas leves). O padrão esperado após a separação do DNA no 
gradiente de Cloreto de Césio seria o seguinte: uma banda intermediária 
após o primeiro ciclo (intermediária, em que todas as moléculas 
apresentariam uma fi ta pesada e a outra fi ta leve); duas bandas após 
o segundo ciclo, uma leve (duas moléculas leves) e outra intermediária 
(duas moléculas intermediárias). 
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Para a replicação conservativa mostrada na Figura 9.4.b, no fi nal 
do primeiro ciclo, metade das moléculas seria pesada (conservadas) e a 
outra metade seria leve (replicadas a partir do molde pesado). No fi nal do 
segundo ciclo, o mesmo padrão do primeiro ciclo seria esperado, pois a 
molécula-mãe sempre se conserva, de modo que a molécula pesada seria 
a mesma usada como molde e conservada no primeiro ciclo, o mesmo 
se repetindo após o segundo ciclo. Dentre as moléculas leves, uma delas 
seria a molécula gerada no primeiro ciclo e conservada, e as outras 
duas leves seriam geradas a partir dos moldes (uma leve conservada e 
uma pesada conservada). O padrão esperado após a separação do DNA 
no gradiente de Cloreto de Césio seria o seguinte: duas bandas após o 
primeiro ciclo (uma molécula pesada e outra molécula leve); duas bandas 
após o segundo ciclo (três moléculas leves e uma molécula pesada). 
Por último, para a replicação dispersiva mostrada na Figura 9.4.c, 
no fi nal do primeiro ciclo, todas as moléculas seriam uma mistura entre 
as moléculas leves e pesadas. O mesmo seria observado após o segundo 
ciclo. O padrão esperado após a separação do DNA no gradiente de 
Cloreto de Césio seria o seguinte: uma banda intermediária após o primeiro 
ciclo (moléculas com partes mescladas); uma banda após o segundo ciclo 
(moléculas com partes mescladas). 
O resultado obtido após o gradiente de equilíbrio de CsCl está 
ilustrado na Figura 9.5. 
Figura 9.5: O esquema apresenta o resultado observado no experimento. Como controles nós podemos observar 
o DNA pesado contendo N15 e o DNA leve contendo N14. Após o primeiro ciclo, houve o aparecimento de um 
tamanho intermediário entre N15/N14. Após o segundo ciclo, houve o aparecimento de um tamanho correspondente 
ao DNA leve, contendo N14 e um tamanho intermediário entre N15/N14.
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A presença de uma banda intermediária após o primeiro ciclo de 
replicação indica que todas as moléculas de DNA contêm uma fi ta leve 
(recém-sintetizada) e uma fi ta pesada (proveniente da fi ta molde). Após 
o segundo ciclo, duas bandas foram observadas, uma leve, indicando a 
presença de DNA recém-sintetizado a partir do molde obtido no primeiro 
ciclo, e outra banda intermediária, indicando a presença de DNA na qual, 
uma das fi tas contém nitrogênio pesado. Esses resultados comprovaram 
que a replicação do DNA é semiconservativa.
Nesta aula, você viu que o modelo proposto por Watson e Crick sugeriu um 
mecanismo de transmissão da informação genética contida no DNA, através de 
um mecanismo conhecido como replicação. Você viu, ainda, que a replicação do 
DNA é semiconservativa, pois uma das fi tas da nova molécula sintetizada é a 
mesma da molécula-mãe que serviu de molde para a sua síntese.
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EXERCÍCIOS
1. Você está convencido da importância do mecanismo de replicação do DNA? 
Responda por quê.
2. De que maneira o modelo de Watson e Crick indicou o possível mecanismo de 
duplicação da molécula do DNA?
3. O que signifi ca replicação semiconservativa?
AUTO-AVALIAÇÃO
Você não deve ter encontrado difi culdades para responder aos exercícios propostos. 
Todas as respostas estão contidas no texto desta aula. O estudo desse conteúdo 
é muito importante para a compreensão das próximas aulas, nas quais falaremos 
sobre o maquinário de replicação. Por isso, bom estudo e até lá! 
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