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14: Estrutura e Função do DNA - Biologia

14: Estrutura e Função do DNA - Biologia


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Cada célula humana possui 23 pares de cromossomos: um conjunto de cromossomos é herdado da mãe e o outro conjunto é herdado do pai. Existe também um genoma mitocondrial, herdado exclusivamente da mãe, que pode estar envolvido em doenças genéticas hereditárias. Em cada cromossomo, existem milhares de genes responsáveis ​​por determinar o genótipo e o fenótipo do indivíduo. Um gene é definido como uma sequência de DNA que codifica um produto funcional. O genoma haplóide humano contém 3 bilhões de pares de bases e tem entre 20.000 e 25.000 genes funcionais.

  • 14.0: Prelúdio da Estrutura e Função do DNA
    As três letras “DNA” agora se tornaram sinônimos de resolução de crimes, teste de paternidade, identificação humana e teste genético. O DNA pode ser obtido de cabelo, sangue ou saliva. O DNA de cada pessoa é único e é possível detectar diferenças entre os indivíduos de uma espécie com base nessas características únicas.
  • 14.1: Base histórica da compreensão moderna
    A compreensão moderna do DNA evoluiu desde a descoberta do ácido nucléico até o desenvolvimento do modelo de dupla hélice. Na década de 1860, Friedrich Miescher, médico de profissão, foi a primeira pessoa a isolar substâncias químicas ricas em fosfato de leucócitos ou leucócitos. Ele nomeou esses produtos químicos (que mais tarde seriam conhecidos como RNA e DNA) de nucleína porque eram isolados do núcleo das células.
  • 14.2: Estrutura e Sequenciamento de DNA
    Os blocos de construção do DNA são os nucleotídeos. Os componentes importantes do nucleotídeo são uma base nitrogenada, desoxirribose (açúcar de 5 carbonos) e um grupo fosfato. O nucleotídeo é nomeado dependendo da base nitrogenada. A base nitrogenada pode ser uma purina, como adenina (A) e guanina (G), ou uma pirimidina, como citosina (C) e timina (T).
  • 14.3: Noções básicas de replicação de DNA
    A elucidação da estrutura da dupla hélice forneceu uma dica de como o DNA se divide e faz cópias de si mesmo. Este modelo sugere que as duas fitas da dupla hélice se separam durante a replicação, e cada fita serve como um modelo a partir do qual a nova fita complementar é copiada. O que não ficou claro foi como a replicação ocorreu. Três modelos foram sugeridos: conservador, semiconservador e dispersivo.
  • 14,4: Replicação de DNA em procariontes
    A replicação do DNA foi extremamente bem estudada em procariotos, principalmente por causa do pequeno tamanho do genoma e dos mutantes disponíveis. E. coli tem 4,6 milhões de pares de bases em um único cromossomo circular e todo ele é replicado em aproximadamente 42 minutos, partindo de uma única origem de replicação e continuando ao redor do círculo em ambas as direções. Isso significa que aproximadamente 1000 nucleotídeos são adicionados por segundo. O processo é bastante rápido e ocorre sem muitos erros
  • 14.5: Replicação de DNA em Eucariotos
    Os genomas eucarióticos são muito mais complexos e maiores em tamanho do que os genomas procarióticos. O genoma humano tem três bilhões de pares de bases por conjunto haplóide de cromossomos e 6 bilhões de pares de bases são replicados durante a fase S do ciclo celular. Existem múltiplas origens de replicação no cromossomo eucariótico; humanos podem ter até 100.000 origens de replicação
  • 14.6: Reparo de DNA
    A replicação do DNA é um processo altamente preciso, mas ocasionalmente podem ocorrer erros, como a inserção da DNA polimerase em uma base errada. Erros não corrigidos às vezes podem levar a consequências sérias, como câncer. Mecanismos de reparo corrigem os erros. Em casos raros, os erros não são corrigidos, levando a mutações; em outros casos, as próprias enzimas de reparo sofrem mutação ou são defeituosas.
  • 14.E: Estrutura e função do DNA (exercícios)

14.2 Estrutura e sequenciamento de DNA

Nesta seção, você explorará as seguintes questões:

  • Qual é a estrutura molecular do DNA?
  • Qual é o método Sanger de sequenciamento de DNA? O que é uma aplicação de sequenciamento de DNA?
  • Quais são as semelhanças e diferenças entre o DNA eucariótico e procariótico?

Conexão para Cursos AP ®

O modelo atualmente aceito da estrutura do DNA foi proposto em 1953 por Watson e Crick, que fizeram seu modelo depois de ver uma fotografia de DNA que Franklin havia tirado usando cristalografia de raios-X. A foto mostrou a forma e as dimensões da dupla hélice da molécula. As duas fitas que constituem a dupla hélice são complementares e antiparalelas por natureza. Ou seja, uma fita corre na direção 5 'para 3', enquanto a fita complementar corre na direção 3 'para 5'. (A importância da direcionalidade será importante quando explorarmos como o DNA se copia.) O DNA é um polímero de nucleotídeos que consiste em açúcar desoxirribose, um grupo fosfato e uma das quatro bases nitrogenadas - A, T, C e G - com uma purina sempre emparelhada com uma pirimidina (como Chargaff descobriu). A “linguagem” genética do DNA é encontrada nas sequências dos nucleotídeos. Durante a divisão celular, cada célula filha recebe uma cópia do DNA em um processo chamado replicação. Nos anos desde a descoberta da estrutura do DNA, muitas tecnologias, incluindo o sequenciamento de DNA, foram desenvolvidas para nos permitir entender melhor o DNA e seu papel em nossos genomas.

As informações apresentadas e os exemplos destacados na seção apoiam os conceitos delineados na Grande Ideia 3 do AP ® Biology Curriculum Framework. Os Objetivos de Aprendizagem listados na Estrutura do Currículo fornecem uma base transparente para o curso AP ® Biologia, uma experiência laboratorial baseada em investigação, atividades instrucionais e questões do exame AP ®. Um objetivo de aprendizagem mescla o conteúdo necessário com uma ou mais das sete práticas científicas.

Grande Ideia 3 Os sistemas vivos armazenam, recuperam, transmitem e respondem às informações essenciais aos processos vitais.
Compreensão Duradoura 3.A As informações herdáveis ​​proporcionam a continuidade da vida.
Conhecimento Essencial 3.A.1 O DNA e, em alguns casos, o RNA, é a fonte primária de informações hereditárias.
Prática de Ciências 6.5 O aluno pode avaliar explicações científicas alternativas.
Objetivo do aprendizado 3.1 O aluno é capaz de construir explicações científicas que usam as estruturas e mecanismos do DNA para apoiar a alegação de que o DNA é a fonte primária de informação hereditária.
Conhecimento Essencial 3.A.1 O DNA e, em alguns casos, o RNA, é a fonte primária de informações hereditárias.
Prática de Ciências 4.1 O aluno pode justificar a seleção do tipo de dados necessários para responder a uma determinada questão científica.
Objetivo do aprendizado 3.2 O aluno é capaz de justificar a seleção de dados de investigações históricas que apóiam a alegação de que o DNA é a fonte de informações hereditárias.
Conhecimento Essencial 3.A.1 O DNA e, em alguns casos, o RNA, é a fonte primária de informações hereditárias.
Prática de Ciências 6.4 O aluno pode fazer afirmações e previsões sobre fenômenos naturais com base em teorias e modelos científicos.
Objetivo do aprendizado 3.5 O aluno pode justificar a afirmação de que os humanos podem manipular informações hereditárias, identificando ao menos dois tecnologias comumente usadas.

Apoio ao Professor

As imagens de difração de raios-X de Franklin ajudaram a levar à descoberta da estrutura do DNA, mas Watson e Crick não mencionaram Franklin em seu artigo seminal de 1953, que pode ser encontrado aqui. Este artigo inclui anotações que ajudam a situar a obra no contexto histórico. Os alunos podem se interessar em aprender como Watson e Crick descobriram a estrutura do DNA. Detalhes podem ser encontrados neste site da PBS. Se possível, encontre uma cópia do anúncio da descoberta conforme apareceu no New York Times. A formulação é interessante e o significado da descoberta é subestimado.

As Questões do Desafio da Prática de Ciências contêm questões de teste adicionais para esta seção que o ajudarão a se preparar para o exame AP. Essas questões abordam os seguintes padrões:
[APLO 3.3] [APLO 3.5] [APLO 3.13]

Os blocos de construção do DNA são os nucleotídeos. Os componentes importantes do nucleotídeo são uma base nitrogenada, desoxirribose (açúcar de 5 carbonos) e um grupo fosfato (Figura 14.5). O nucleotídeo é nomeado dependendo da base nitrogenada. A base nitrogenada pode ser uma purina, como adenina (A) e guanina (G), ou uma pirimidina, como citosina (C) e timina (T).

Os nucleotídeos combinam-se entre si por ligações covalentes conhecidas como ligações fosfodiéster ou ligações. As purinas têm uma estrutura de anel duplo com um anel de seis membros fundido a um anel de cinco membros. As pirimidinas são menores em tamanho e possuem uma única estrutura em anel de seis membros. Os átomos de carbono do açúcar de cinco carbonos são numerados 1 ', 2', 3 ', 4' e 5 '(1' é lido como “um primo”). O resíduo de fosfato está ligado ao grupo hidroxila do carbono 5 'de um açúcar de um nucleotídeo e ao grupo hidroxila do carbono 3' do açúcar do próximo nucleotídeo, formando assim uma ligação fosfodiéster 5'-3 '.

Na década de 1950, Francis Crick e James Watson trabalharam juntos para determinar a estrutura do DNA na Universidade de Cambridge, na Inglaterra. Outros cientistas como Linus Pauling e Maurice Wilkins também estavam explorando ativamente esse campo. Pauling descobriu a estrutura secundária das proteínas usando cristalografia de raios-X. No laboratório de Wilkins, a pesquisadora Rosalind Franklin estava usando métodos de difração de raios-X para entender a estrutura do DNA. Watson e Crick conseguiram montar o quebra-cabeça da molécula de DNA com base nos dados de Franklin porque Crick também havia estudado a difração de raios-X (Figura 14.6). Em 1962, James Watson, Francis Crick e Maurice Wilkins receberam o Prêmio Nobel de Medicina. Infelizmente, a essa altura Franklin já havia morrido e os prêmios Nobel não são concedidos postumamente.

Watson e Crick propuseram que o DNA é composto de duas fitas que são torcidas uma em torno da outra para formar uma hélice destra. O emparelhamento de bases ocorre entre uma purina e pirimidina, a saber, pares A com pares T e G com C. Adenina e timina são pares de bases complementares, e citosina e guanina também são pares de bases complementares. Os pares de bases são estabilizados por ligações de hidrogênio, a adenina e a timina formam duas ligações de hidrogênio e a citosina e a guanina formam três ligações de hidrogênio. As duas fitas são antiparalelas por natureza, isto é, a extremidade 3 'de uma fita está voltada para a extremidade 5' da outra. O açúcar e o fosfato dos nucleotídeos formam a espinha dorsal da estrutura, enquanto as bases nitrogenadas estão empilhadas internamente. Cada par de bases é separado do outro par de bases por uma distância de 0,34 nm, e cada volta da hélice mede 3,4 nm. Portanto, dez pares de bases estão presentes por volta da hélice. O diâmetro da dupla hélice do DNA é de 2 nm e é totalmente uniforme. Apenas o emparelhamento entre uma purina e uma pirimidina pode explicar o diâmetro uniforme. A torção dos dois fios em torno um do outro resulta na formação de ranhuras maiores e menores uniformemente espaçadas (Figura 14.7).

Conexão da prática científica para cursos AP®

Atividade

Leia o original de Watson e Crick Natureza artigo, "Estrutura Molecular de Ácidos Nucleicos: Uma Estrutura para Ácido Nucleico de Desoxirribose", Como o modelo de Watson e Crick se baseou nas descobertas de Rosalind Franklin? Como seu modelo de DNA se baseou nas descobertas de Hershey e Chase e outros, mostrando que o DNA pode codificar e passar informações para a próxima geração?

Pense nisso

O trabalho de Watson e Crick determinou a estrutura do DNA. No entanto, ainda era relativamente desconhecido como o DNA codificava as informações nos genes. Selecione uma forma moderna de biotecnologia e pesquise seus métodos básicos online. Os exemplos incluem sequenciamento de genes, impressão digital de DNA, PCR (reação em cadeia da polimerase), alimentos geneticamente modificados, etc. Descreva resumidamente a tecnologia escolhida e os benefícios que ela nos proporciona. Em seguida, descreva como as descobertas de Watson e Crick foram vitais para o desenvolvimento da tecnologia escolhida.

Apoio ao Professor

A atividade é uma aplicação do Objetivo de Aprendizagem 3.1 e da Prática de Ciências 6.5 porque os alunos estão analisando o modelo de DNA de Watson e Crick em relação às descobertas de outros pesquisadores de DNA que determinaram que o DNA é a molécula da hereditariedade. A atividade também é uma aplicação do Objetivo de Aprendizagem 3.2 e da Prática de Ciências 4.1 porque os alunos estão analisando os resultados históricos publicados de Watson e Crick e selecionando evidências que Watson e Crick usaram para criar seu modelo de DNA e mostrar ainda que o DNA é a molécula da hereditariedade .

Possível resposta:

A questão Think About It é uma aplicação do Objetivo de Aprendizagem 3.5 e da Prática de Ciências 6.4 porque os alunos estão pesquisando os métodos pelos quais os humanos podem manipular informações hereditárias e descrevendo como esses métodos foram baseados nas teorias científicas e nos modelos de Watson e Crick.

Possível resposta:

Técnicas de sequenciamento de DNA

Até a década de 1990, o sequenciamento do DNA (leitura da sequência do DNA) era um processo relativamente caro e longo. Usar nucleotídeos radiomarcados também agravou o problema por questões de segurança. Com a tecnologia disponível atualmente e as máquinas automatizadas, o processo é barato, mais seguro e pode ser concluído em questão de horas. Fred Sanger desenvolveu o método de sequenciamento usado para o projeto de sequenciamento do genoma humano, que é amplamente usado hoje (Figura 14.8).

Link para aprendizagem

Visite este site para assistir a um vídeo explicando a técnica de leitura de sequência de DNA que resultou do trabalho de Sanger.

  1. O método de Sanger pode ser usado para sequenciar mais de uma fita por vez, o que consome menos tempo. Os desafios do método de Sanger incluem sua menor precisão para sequenciar fitas de DNA.
  2. O método de Sanger é uma forma confiável e precisa de sequenciar fitas de DNA. No entanto, apenas uma fita por vez pode ser sequenciada por vez. Além disso, ele pode procurar apenas uma base por vez, o que pode ser demorado.
  3. O método de Sanger é altamente barato e menos preciso. No entanto, não é prontamente adaptável a kits comerciais.
  4. O método de Sanger é menos demorado e altamente preciso. No entanto, é mais caro do que outros métodos disponíveis para sequenciamento.

O método é conhecido como método de terminação de cadeia didesoxi. O método de sequenciação é baseado no uso de terminadores de cadeia, os didesoxinucleotídeos (ddNTPs). Os didesoxinucleotídeos, ou ddNTPSs, diferem dos desoxinucleotídeos pela falta de um grupo 3 'OH livre no açúcar de cinco carbonos. Se um ddNTP é adicionado a uma fita de DNA em crescimento, a cadeia não é estendida mais porque o grupo 3 'OH livre necessário para adicionar outro nucleotídeo não está disponível. Usando uma proporção predeterminada de desoxinucleotídeos para didesoxinucleotídeos, é possível gerar fragmentos de DNA de tamanhos diferentes.

A amostra de DNA a ser sequenciada é desnaturada ou separada em duas fitas por aquecimento a altas temperaturas. O DNA é dividido em quatro tubos nos quais um primer, DNA polimerase e todos os quatro nucleotídeos (A, T, G e C) são adicionados. Além de cada um dos quatro tubos, quantidades limitadas de um dos quatro didesoxinucleotídeos são adicionadas a cada tubo, respectivamente. Os tubos são rotulados como A, T, G e C de acordo com o ddNTP adicionado. Para fins de detecção, cada um dos quatro didesoxinucleotídeos carrega um marcador fluorescente diferente. O alongamento da cadeia continua até que um didesoxinucleotídeo fluorescente seja incorporado, após o que nenhum alongamento posterior ocorre. Após o término da reação, a eletroforese é realizada. Mesmo uma diferença no comprimento de uma única base pode ser detectada. A sequência é lida em um scanner a laser. Por seu trabalho com sequenciamento de DNA, Sanger recebeu o Prêmio Nobel de química em 1980.

Link para aprendizagem

O sequenciamento do genoma de Sanger levou a uma corrida para sequenciar genomas humanos em uma velocidade rápida e baixo custo, muitas vezes referido como a sequência de $ 1000 em um dia. Saiba mais selecionando a animação Sequencing at Speed ​​aqui.

  1. O sequenciamento genético mais rápido ajudará na análise rápida da composição genética de bactérias que podem causar doenças em humanos para tratamentos melhores e mais eficientes. Além disso, o sequenciamento do DNA de uma célula cancerosa pode fornecer melhores maneiras de tratar ou prevenir o câncer.
  2. O sequenciamento rápido de DNA pode nos ajudar a analisar rapidamente a informação genética de bactérias existentes (não de novas cepas) apenas que causam doenças em humanos, o que pode levar a tratamentos mais eficientes.
  3. O sequenciamento rápido de DNA pode ajudar os médicos a tratar e diagnosticar doenças que não são raras nas populações.
  4. O sequenciamento genético mais rápido pode ser usado para tratar e prevenir alguns tipos de câncer e, assim, aumentar a expectativa de vida dos pacientes que sofrem dessas doenças.

A eletroforese em gel é uma técnica usada para separar fragmentos de DNA de diferentes tamanhos. Normalmente, o gel é feito de uma substância química chamada agarose. O pó de agarose é adicionado a um tampão e aquecido. Após o resfriamento, a solução de gel é derramada em uma bandeja de fundição. Assim que o gel solidificou, o DNA é carregado no gel e a corrente elétrica é aplicada. O DNA tem uma carga líquida negativa e se move do eletrodo negativo em direção ao eletrodo positivo. A corrente elétrica é aplicada por tempo suficiente para permitir que o DNA se separe de acordo com o tamanho - os menores fragmentos estarão mais distantes do poço (onde o DNA foi carregado) e os fragmentos de maior peso molecular estarão mais próximos do poço. Uma vez que o DNA é separado, o gel é corado com um corante específico para DNA para visualização (Figura 14.9).

Evolution Connection

Genoma do Neandertal: como nos relacionamos?

O primeiro esboço de sequência do genoma do Neandertal foi publicado recentemente por Richard E. Green et al. em 2010. 1 Os neandertais são os ancestrais mais próximos dos humanos atuais. Eles eram conhecidos por terem vivido na Europa e na Ásia Ocidental antes de desaparecerem dos registros fósseis há aproximadamente 30.000 anos. A equipe de Green estudou restos fósseis de quase 40.000 anos que foram selecionados em locais de todo o mundo. Meios extremamente sofisticados de preparação de amostras e sequenciamento de DNA foram empregados devido à natureza frágil dos ossos e à forte contaminação microbiana. Em seu estudo, os cientistas conseguiram sequenciar cerca de quatro bilhões de pares de bases. A sequência do Neandertal foi comparada com a dos humanos atuais de todo o mundo. Depois de comparar as sequências, os pesquisadores descobriram que o genoma do Neandertal tinha 2 a 3% mais semelhança com pessoas que viviam fora da África do que com pessoas na África. Embora as teorias atuais tenham sugerido que todos os humanos atuais podem ser rastreados até uma pequena população ancestral na África, os dados do genoma do Neandertal podem contradizer essa visão. Green e seus colegas também descobriram segmentos de DNA entre pessoas na Europa e na Ásia que são mais semelhantes às sequências de Neandertais do que a outras sequências humanas contemporâneas. Outra observação interessante foi que os neandertais são parentes tão próximos das pessoas de Papua Nova Guiné quanto das da China ou da França. Isso é surpreendente porque restos fósseis de Neandertal foram localizados apenas na Europa e na Ásia Ocidental. Muito provavelmente, a troca genética ocorreu entre os neandertais e os humanos modernos à medida que os humanos modernos emergiram da África, antes da divergência entre europeus, asiáticos orientais e Papua-Nova Guiné.

Vários genes parecem ter sofrido mudanças nos neandertais durante a evolução dos humanos atuais. Esses genes estão envolvidos na estrutura craniana, metabolismo, morfologia da pele e desenvolvimento cognitivo. Um dos genes de particular interesse é RUNX2, que é diferente em humanos modernos e neandertais. Este gene é responsável pelo osso frontal proeminente, caixa torácica em forma de sino e diferenças dentais observadas em neandertais. Especula-se que uma mudança evolutiva na RUNX2 foi importante na origem dos humanos modernos, e isso afetou o crânio e a parte superior do corpo.

  1. Os primeiros humanos surgiram da África e se espalharam para povoar diferentes partes do globo. Uma população isolada desses primeiros humanos cruzou com Neandertais.
  2. Os primeiros humanos cruzaram com os Neandertais, emergiram da África e se espalharam para povoar diferentes partes do globo.
  3. Os primeiros humanos surgiram da África, cruzaram-se com os Neandertais e se espalharam para povoar diferentes partes do globo.
  4. Os primeiros humanos não cruzaram com os Neandertais, mas temos muitas semelhanças genéticas porque compartilhamos um ancestral comum.

Link para aprendizagem

Assista à palestra de Svante Pääbo explicando a pesquisa do genoma de Neanderthal na conferência anual TED (Tecnologia, Entretenimento, Design) de 2011.

  1. Foi sugerido que todos os humanos provavelmente descendem da África. Isso é corroborado pela pesquisa de que a variância genética na África também foi encontrada no resto do mundo.
  2. A teoria de que os humanos descendem da África foi apoiada pela pesquisa de que a maioria dos genomas humanos testados fora da África tinha laços estreitos com os genomas das pessoas na África, mas uma variação genética na África não foi encontrada no resto do mundo.
  3. Os humanos provavelmente descendem da África. Esta pesquisa é apoiada pelo fato de que todos os genomas humanos testados fora da África tinham laços estreitos com os genomas das pessoas na África. Além disso, existe uma variação genética na África que não foi encontrada no resto do mundo.
  4. A transição para os humanos modernos ocorreu na África, que foi repentina. Assim, os genomas humanos testados fora da África têm laços estreitos com os genomas das pessoas na África.

Embalagem de DNA em células

Ao comparar células procariotas com células eucariotas, os procariotos são muito mais simples do que os eucariotos em muitas de suas características (Figura 14.10). A maioria dos procariotos contém um único cromossomo circular que é encontrado em uma área do citoplasma chamada nucleóide.

Conexão Visual

  1. A compartimentação em células eucarióticas permite a construção de proteínas e produtos de RNA mais complexos. Em procariotos, a vantagem é que a síntese de RNA e proteínas ocorre muito mais rapidamente porque ocorre em um único compartimento.
  2. A compartimentação em células procarióticas permite a construção de proteínas e produtos de RNA mais complexos. Em eucariotos, a vantagem é que a síntese de RNA e proteínas ocorre muito mais rapidamente porque ocorrem em um único compartimento.
  3. A compartimentação em células eucarióticas permite a construção de proteínas e produtos de RNA mais simples. Em procariotos, a vantagem é apenas proteínas e produtos de RNA mais simples, porque os complexos não são necessários.
  4. A compartimentação em células eucarióticas permite a construção de proteínas e produtos de RNA mais complexos. Em procariotos, a vantagem é que a síntese de RNA e proteínas leva mais tempo porque ocorre em um único compartimento.

O tamanho do genoma em um dos procariontes mais bem estudados, E.coli, é 4,6 milhões de pares de bases (aproximadamente 1,1 mm, se cortado e esticado). Então, como isso se encaixa dentro de uma pequena célula bacteriana? O DNA é distorcido pelo que é conhecido como superenrolamento. Superenrolamento significa que o DNA está sub-enrolado (menos de uma volta da hélice por 10 pares de bases) ou superenrolado (mais de 1 volta por 10 pares de bases) de seu estado normal de relaxamento. Sabe-se que algumas proteínas estão envolvidas no superenrolamento de outras proteínas e enzimas, como a DNA girase, ajudam a manter a estrutura superenrolada.

Os eucariotos, cujos cromossomos consistem em uma molécula linear de DNA, empregam um tipo diferente de estratégia de empacotamento para encaixar seu DNA dentro do núcleo (Figura 14.11). No nível mais básico, o DNA envolve proteínas conhecidas como histonas para formar estruturas chamadas nucleossomos. As histonas são proteínas evolutivamente conservadas que são ricas em aminoácidos básicos e formam um octâmero. O DNA (que é carregado negativamente por causa dos grupos fosfato) é enrolado firmemente em torno do núcleo da histona. Este nucleossomo está ligado ao próximo com a ajuda de um DNA ligante. Isso também é conhecido como estrutura de “contas em um cordão”. Este é posteriormente compactado em uma fibra de 30 nm, que é o diâmetro da estrutura. No estágio de metáfase, os cromossomos são mais compactos, têm aproximadamente 700 nm de largura e são encontrados em associação com proteínas-esqueleto.

Na interfase, os cromossomos eucarióticos têm duas regiões distintas que podem ser distinguidas por coloração. A região fortemente empacotada é conhecida como heterocromatina, e a região menos densa é conhecida como eucromatina. A heterocromatina geralmente contém genes que não são expressos e é encontrada nas regiões do centrômero e telômeros. A eucromatina geralmente contém genes que são transcritos, com DNA empacotado ao redor dos nucleossomos, mas não compactado posteriormente.

Notas de rodapé

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    • Autores: Julianne Zedalis, John Eggebrecht
    • Editor / site: OpenStax
    • Título do livro: Biologia para Cursos AP®
    • Data de publicação: 8 de março de 2018
    • Local: Houston, Texas
    • URL do livro: https://openstax.org/books/biology-ap-courses/pages/1-introduction
    • URL da seção: https://openstax.org/books/biology-ap-courses/pages/14-2-dna-structure-and-sequencing

    © 12 de janeiro de 2021 OpenStax. O conteúdo do livro didático produzido pela OpenStax é licenciado sob uma licença Creative Commons Attribution License 4.0. O nome OpenStax, logotipo OpenStax, capas de livro OpenStax, nome OpenStax CNX e logotipo OpenStax CNX não estão sujeitos à licença Creative Commons e não podem ser reproduzidos sem o consentimento prévio e expresso por escrito da Rice University.


    14.12 Questões de desafio da prática científica

    A prova de que o DNA, e não a proteína, é o portador da informação genética envolveu uma série de experimentos históricos, incluindo a transformação ou transferência horizontal de genes (HGT), que é a captação e expressão do DNA extracelular.

    A. Conforme descrito na Figura 14.3, a transformação ou HGT foi relatada pela primeira vez por Griffith em 1928 em um experimento em que ocorreu o seguinte:

    1. bactérias patogênicas tratadas com calor recuperaram sua patogenicidade quando incubadas com bactérias não patogênicas
    2. plasmídeos foram transferidos para bactérias não patogênicas de bactérias patogênicas por meio de conjugação
    3. bactérias não patogênicas adquiriram patogenicidade quando incubadas em um caldo contendo bactérias patogênicas tratadas com calor
    4. cápsulas de células polissacarídicas de bactérias patogênicas foram transferidas para bactérias não patogênicas

    O experimento de B. Griffith, no entanto, deixou indeterminada a identidade do componente celular que codificava a informação genética. A identidade do DNA como portador da informação genética foi resolvida por meio dos experimentos de Martha Chase e Alfred Hershey porque eles observaram o seguinte:

    1. injeções com um soro contendo polissacarídeos quimicamente isolados e bactérias não patogênicas não foram letais
    2. DNA bacteriano patogênico que foi radioativamente marcado usando um isótopo de fósforo não estava presente em camundongos que morreram
    3. bacteriófagos de uma cultura bacteriana cultivada em um meio contendo nutrientes e marcada radioativamente usando um isótopo de enxofre transferiu a etiqueta para bactérias incubadas em um meio contendo nutrientes não rotulado
    4. bacteriófagos de uma cultura bacteriana cultivada em um meio contendo nutrientes e marcado radioativamente usando um isótopo de enxofre não transferiu o marcador para bactérias incubadas em um meio contendo nutrientes não marcado

    C. A transformação e a transdução aumentam a variação dentro das populações de bactérias e arqueobactérias por meio do seguinte:

    1. transferência de DNA entre diferentes espécies
    2. transferência de DNA livre através da membrana celular sem gasto de energia
    3. transferência de DNA entre diferentes cepas da mesma espécie de bactéria
    4. fagocitose de bacteriófagos

    A evolução da resistência aos antibióticos via HGT representa um desafio para a tecnologia médica. Por outro lado, a transformação é frequentemente avaliada pela incorporação de um gene de resistência a antibióticos no plasmídeo a ser transferido para o organismo hospedeiro. Em ambientes naturais, as células bacterianas e arqueobacterianas tornam-se competentes (capazes de transportar DNA através da membrana citoplasmática) em resposta ao estresse, como radiação ultravioleta, alta densidade populacional ou choque térmico. Essas condições são frequentemente difíceis de modelar em laboratório, onde a competência pode ser induzida por altas concentrações de cátions divalentes, Ca +2 ou Mg +2, ou choque elétrico. Em qualquer cenário, o DNA extracelular pode ser transportado para a célula e (para uma boa aproximação) a captação é proporcional à concentração de DNA extracelular.

    D. Identificar um fator que pode afetar a transformação ou HGT. Então, desenhe um plano para avaliar a dependência da eficiência transformacional (definida como o número de transformações por grama de DNA extracelular) de plasmídeos que transferem resistência a antibióticos para uma cepa particular de Escherichia coli que não é resistente a esse fator.

    Antes do trabalho de Hershey e Chase, os cientistas pensavam que a herança envolvia "nucleoproteínas". A quantidade de informações a serem transmitidas entre as gerações não parecia consistente com a simplicidade química dos poucos nucleotídeos encontrados nos polímeros de ácidos desoxirribonucléicos em comparação com a diversidade dos polímeros protéicos. Brevemente explique:

    • a relação entre a estrutura do DNA polimérico e as informações armazenadas
    • a relação entre as interações entre os pares de bases nas fitas complementares da dupla hélice e a observação de Chargaff sobre a abundância relativa de nucleotídeos no DNA
    • o significado da declaração do Natureza publicação sobre a estrutura do DNA de Watson e Crick: “Não escapou à nossa observação que o par específico que postulamos sugere imediatamente um possível mecanismo de cópia do material genético”.

    Em 1977, Fred Sanger desenvolveu um método para determinar a ordem dos nucleotídeos em uma fita de DNA. Sanger ganhou o Prêmio Nobel por seu trabalho, e seu método de sequenciamento baseado na terminação da cadeia didesoxi (Figura 14.8) foi fundamental para o rápido desenvolvimento de métodos de sequenciamento mais modernos, rápidos e baratos. O desafio dos $ 1.000 em um sequenciamento de um dia do genoma humano foi alcançado em 2016 pelo sequenciamento de próxima geração (NGS), um termo genérico que descreve vários métodos de sequenciamento.

    A. Usando os diagramas mostrados acima para referência, explique o efeito da adição de didesoxinucleotídeos no crescimento da cadeia da fita de DNA que é copiada durante o sequenciamento em termos das estruturas de didesoxirribose e desoxirribose.

    B. Suponha que uma única fita a ser sequenciada seja 5’CGAGTACG3 ’. Na presença de cada um dos quatro desoxinucleotídeos e o didesoxinucleotídeo ddCTP, descrever os fios que seriam formados a partir desse molde. Inclua em sua descrição uma anotação indicando as extremidades 3 'e 5' dos fragmentos resultantes do procedimento.

    C. O sequenciamento de última geração torna a tecnologia de terminação muito rápida e relativamente barata. Todos os bebês nascidos nos EUA são atualmente examinados por testes exigidos pelo estado para várias doenças genéticas. O número de condições testadas varia de 29 (GA e KS) a 59 (IL e MS). Propõe-se que o sequenciamento do genoma completo seja obrigatório para todos os recém-nascidos. O Genetic Information Nondiscrimination Act (2008) impede que as seguradoras de saúde neguem cobertura ou aumentem os custos dos prêmios com base em informações genéticas. Também proíbe os empregadores de fazer uso desses dados para contratação, demissão ou promoção. A lei foi aprovada na Câmara com uma votação de 420 a 3, embora tenha sido pressionada contra organizações que representam empresas (recursos humanos, seguro saúde e fabricantes), incluindo a Câmara de Comércio dos Estados Unidos. A lei não cobre seguro de vida, cuidados de longo prazo ou invalidez. Pose três perguntas que são relevantes para o uso de dados do genoma completo.

    Nossa compreensão dos mecanismos de replicação do DNA é importante para a pesquisa sobre câncer e envelhecimento. Além disso, a base molecular da genética mendeliana foi estabelecida.

    A. O mecanismo de replicação do DNA foi investigado por Meselson e Stahl. O diagrama abaixo de seu artigo de 1958 resume suas descobertas. Descrever como essa representação ilustra a maneira como o DNA é copiado para transmissão entre gerações.

    B. Durante a síntese de novas fitas de DNA das fitas-mãe, a DNA polimerase pode apenas adicionar nucleotídeos no terminal 3 'de uma fita em crescimento. Usando o diagrama abaixo, descrever as semelhanças e diferenças entre a replicação do DNA de ambas as fitas.

    C. Mostrado na extremidade esquerda da fita-mãe superior está a sequência de repetição de seis bases TTAGGG. Em humanos, essa é a sequência telomérica repetida que está ligada ao telômero. O primer de RNA em humanos abrange 10 pares de bases, ao contrário do desenho em que abrange apenas três. Nas células somáticas, uma enzima chamada telomerase não funciona mais. Explique a função da telomerase no desenvolvimento de células-tronco e células cancerosas e a inibição da telomerase na morte celular programada ou apoptose.

    As mitocôndrias das células eucariotas contêm seu próprio DNA circular (mtDNA), consistente com sua origem de acordo com a teoria da endossimbiose. O genoma mitocondrial é altamente conservado em Eukarya. Em humanos, as 50 a 100 mitocôndrias em cada uma das células na maioria dos tecidos têm de 5 a 10 cópias do genoma. Cada um tem 37 genes que codificam principalmente proteínas da cadeia de transporte de elétrons. As mutações pontuais nas quais um único nucleotídeo é colocado incorretamente não são reparadas porque a verificação de erro fornecida pela DNA polimerase não está presente na mitocôndria. A taxa de mutação do mtDNA é aproximadamente 100 vezes maior do que a taxa de mutação do DNA nuclear. The simultaneous existence of multiple alleles in each cell is likely, a condition called heteroplasmy. In mammals, sperm mitochondria are destroyed prior to fertilization.

    UMA. Explique how point mutations in mtDNA can result in a loss of function in critical cellular components such as cytochrome c yet not be lethal to the cell.

    B. Oocyte mitochondria are randomly segregated during meiosis, resulting in variation in the frequency of mtDNA mutations in offspring relative to the parent. Expliquehow a loss of function does not accumulate, lowering the metabolic performance from generation to generation.

    As described in the Evolution Connection in this chapter of the text, a fossil fingertip found in a Siberian cave revealed an evolutionary link between Neanderthals and Denisovans. Fossils from 28 individuals were located in the “pit of bones,” Sima de los Huesos, in Spain, thousands of miles from the Siberian cave. In 2013, mtDNA from a femur of one of these individuals was compared with mtDNA of Denisovans, Neanderthals, and modern humans. It was found that the Sima fossil shared many more alleles with Denisovans than with either Neanderthals or modern humans. In 2016, the same group of scientists who sequenced the mtDNA from the femur of one of the Sima fossils partially sequenced the DNA from that fossil, showing a clear connection to Neanderthals.

    C. Analyze these data to draw alternative conclusions regarding the relatedness of the three fossils and support each with evidence.

    D.Projeto a plan to differentiate or resolve these alternative conclusions.


    Chapter 22 Introduction – DNA Structure and Function


    The three letters “DNA” have now become synonymous with crime solving and genetic testing. DNA can be retrieved from hair, blood, or saliva. Each person’s DNA is unique, and it is possible to detect differences between individuals within a species on the basis of these unique features.

    DNA analysis has many practical applications beyond forensics. In humans, DNA testing is applied to numerous uses: determining paternity, tracing genealogy, identifying pathogens, archeological research, tracing disease outbreaks, and studying human migration patterns. In the medical field, DNA is used in diagnostics, new vaccine development, and cancer therapy. It is now possible to determine predisposition to diseases by looking at genes.

    Each human cell has 23 pairs of chromosomes: one set of chromosomes is inherited from the mother and the other set is inherited from the father. There is also a mitochondrial genome, inherited exclusively from the mother, which can be involved in inherited genetic disorders. On each chromosome, there are thousands of genes that are responsible for determining the genotype and phenotype of the individual. A gene is defined as a sequence of DNA that codes for a functional product. The human haploid genome contains 3 billion base pairs and has between 20,000 and 25,000 functional genes.


    Avaliações

    "Well written, authoritative, organized and comprehensive coverage of a rapidly developing subject. It is a very impressive compilation and one which will be useful to a wide audience. The book introduces the reader to the complex mosaic of DNA architecture-the A, B, H, Z, supercoiled, and the cruciform structures of DNA. The interconversion of these structures, together with the interaction with sequence and/or structure specific proteins provides the basis for the delicate orchestration of the flow of the genetic message within the cell. In vitro , [as well as] in vivo experiments are presented. The DNA structural findings lead one into the specific relevance of these forms in the vital functional processes-replication, transcription, genetic recombination and DNA repair-which are at the cutting-edge of research in today's leading labs. All in all, an excellent job of bringing together a multitude of diverse topics on DNA and packaging them nicely in a comprehensive, readable volume. " --WILLIAM M. SCOVELL, Professor of Chemistry, Bowling Green State University

    "Richard Sinden, a leader in the study of nucleic acid structure, has crafted an outstanding treatment of DNA structure and function. I found this work, particularly the excellent illustrations, very useful for preparing lectures on aspects of DNA structure that are not a part of my daily work. After reviewing an early version, I insisted that Sinden keep me supplied with the latest revision so I would have easy access to the information. In summary, I consider Sinden's book required reading for any graduate student interested in how DNA works." --KARL DRLICA, The Public Health Research Institute, New York, New York

    "Richard Sinden has consolidated the newer information necessary to understand DNA function beyond the notion that it simply encodes information by its linear sequence. Here, in one place, Z-DNA, bending, supercoiling, triplex formation, the more esoteric matters of four-strand and parallel strand DNA, as well as other rarer forms, are described at a level accessible to advanced undergraduates and graduate students. The book focuses on DNA structures and conformations, but also treats the role of these DNA forms in protein-DNA interactions and chromosome structure. The book provides a solid introduction to these topics and will serve as a useful tool for investigators as well as students." --RICHARD I. GUMPORT, University of Illinois, Urbana

    "Excellent work on an interesting subject. Recommended." --D. CARMICHAEL, Pittsburgh State University (CHOICE)

    " DNA Structure and Function leads the reader from the early models of the double helix, through curvature, supercoiling, cruciforms, Z-DNA and triplex DNA to the more esoteric alternative conformations of 1995. It is quite a journey, and Richard Sinden is an informed and entertaining guide. This book provides a clear account of the basic principles of DNA chemistry and structure. The discussion of these issues would be useful for any introductory course in genetics or biochemistry. DNA is hereto stay. Buy a copy of this book to find out what DNA can do, and also what DNA might do for you." --TRENDS IN BIOCHEMICAL SCIENCES

    "This book is a timely and comprehensive resource for any student or scientist interested in DNA structure and its biological implications." --UNLISTED DRUGS

    "The book is an excellent text and presents, in a readable and very clearly illustrated form, the present view of DNA structure. This is a book for lecturers, taught-course postgraduates, and as a source book for undergraduates. It is a good value." --SOCIETY FOR GENERAL MICROBIOLOGY

    "For lecturers and taught-course postgraduates this book is strongly recommended. It is an essential source book for advanced undergraduates in biotechnology and molecular biology courses. It represents excellent value." --BIOTECHNOLOGY APPLIED BIOCHEMISTRY


    Assista o vídeo: DNA RNA - Kwasy dwa (Fevereiro 2023).