DNA: Estrutura e replicação

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O Hank do canal Crash Course introduz a molécula do ácido desoxirribonucleico e exlpica como ela replica a si mesma em nossas células.

O Hank do canal Crash Course introduz a molécula do ácido desoxirribonucleico e exlpica como ela replica a si mesma em nossas células.


É lindo não? É simplesmente hipnotizante. É duplamente heli-excitante! Você pode perceber só de olhar o quão importante e extraordinário. É a molécula mais complicada existente e, potencialmente, a mais importante.


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É tão complexa que nós não sabíamos com o que ela se parecia até 60 anos atrás. Tão variadamente impressionante que se você pegar tudo de apenas uma das nossas células e desembaraçá-la seria mais alta que eu.

Agora considere que há provavelmente 50 trilhões de células em meu corpo nesse momento. De ponta a ponta, o DNA nessas células se esticaria até ao sol.

Não apenas uma vez... mas 600 vezes! Sua mente já explodiu? E aí, quer fazer um? É claro que você sabe que estou falando do ácido desoxirribonucleico mais comumente conhecido como ADN (DNA).

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DNA

DNA é o que armazena nossa informação genética - a informação que dita todas as atividades celulares.

É um código de 6 bilhões de letras que instrui tudo o que você é. E faz a mesma coisa para todos os outros seres vivos. Vou me antecipar e assumir que você é humano.

Nesse caso toda célula corpórea, ou célula somática, em você tem 46 cromossomos cada um contendo uma grande molécula de DNA.

Esse cromossomos são todos empacotados com proteínas dentro do núcleo celular.

DNA é um ácido nucleico. Como também é seu primo, de quem também falaremos, o ácido ribonucleico, ou ARN (RNA).

Agora se você se focar e lembrar do episodio 3, falamos sobre as mais importantes moléculas biológicas: carboidratos, lipídeos e proteínas? Lembraram? Ácidos nucleicos são o quarto maior grupo de moléculas biológicas, e na minha opinião, têm o trabalho mais complicado de todos.

Estruturalmente são polímeros, significa que cada um é feito de muitas e repetidas unidades moleculares.

No DNA, essas pequenas unidades são chamadas nucleotídeos. Ligue-as e você terá um polinucleotídeo.

Agora antes que coloquemos essas pequenas peças para construir uma molécula de DNA como alguma peça microscópica de mesa, vamos primeiro olhar o que faz cada nucleotídeo.

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Nós vamos precisar de três coisas:

1. Uma molécula de açúcar de cinco carbonos
2. Um grupo fosfato
3. Uma de quatro bases nitrogenadas A primeira parte do nome DNA vem de seu primeiro ingrediente, a molécula de açúcar desoxirribose.

Mas o material realmente importante, o código genético que faz de você, VOCÊ, é encontrado entre as quatro bases nitrogenadas:
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Adenina (A), Timina (T), Citosina (C) e Guanina (G).

É importante saber que em organismos vivos, o DNA não existe como um única molécula de polinucleotídio, mas sim um par de moléculas intrinsecamente ligadas.

Eles são com uma escada espiral dupla e microscópica.

Basicamente uma escada, mas torcida. A famosa Dupla Hélice. E como qualquer estrutura, temos que ter o apoio principal.

No DNA, os açucares e fosfatos se ligam para formar espinhas dorsais gêmeas.

Essas ligações de açúcar-fosfato se prolongam de cada da hélice, mas quimicamente em direções opostas.

Em outras palavras, se você olhar para cada uma das estruturas açúcar-fosfato verá que um parece invertido em relação ao outro.

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Uma coluna começa no topo com o primeiro fosfato ligado ao 5º carbono da molécula de açúcar e, em seguida, terminando onde o próximo fosfato iria, com uma extremidade livre no 3º carbono do açúcar.

Isso cria um padrão chamado 5'(5 prime) e 3'(3 prime).

[O vídeo a seguir traz uma explicação melhor.]

Eu sempre pensei na desoxirribose com uma seta, com o oxigênio como a ponta.

Sempre 'aponta' de 3' para 5'. Agora, na outra cadeia, é exatamente o oposto.

Ela começa em cima com uma extremidade livre no açúcar de 3ª carbono e os fosfatos conectam aos quintos carbonos dos açúcares dali para baixo.

E que termina no fundo com um fosfato. E vocês provavelmente já descobriram isso, mas esta é a chamada direção 3 'para 5'.

Agora é hora de fazer-nos um destes famosos hélices duplas.

Estas duas cadeias longas são ligadas pelas bases nitrogenadas através de ligações de hidrogênio relativamente fracas.

Mas elas não podem ser apenas um par de bases nitrogenadas qualquer.

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Felizmente, quando se trata de descobrir que parte vai para onde, tudo que você tem a fazer é lembrar que se um nucleotídeo tem uma base de adenina (A), somente timina (T) pode ser o seu homólogo (A-T). Da mesma forma, guanina (G) só pode ligar-se com citosina [C] (G-C).

Estas bases nitrogenadas ligadas são chamadas "pares de bases".

O par G-C possui três pontes de hidrogênio, o que o torna ligeiramente mais forte do que o par de bases A-T, que só tem duas ligações.

É a ordem dessas quatro nucleobases ou a sequência de bases que permite ao seu DNA criar você.

Então, AGGTCCATG significa algo completamente diferente como uma sequência de bases do que, digamos, TTCAGTCG.

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Cromossoma humano 1, o maior de todos os nossos cromossomos, contém uma única molécula de DNA com 247 milhões de pares de bases.

Se você imprimisse todas as letras do cromossomo 1 em um livro, ele teria cerca de 200.000 páginas de tamanho.

E cada uma de suas células somáticas tem 46 moléculas de DNA firmemente embaladas em seu núcleo - que é um para cada um de seus cromossomos.

Coloque todos as 46 moléculas juntas e estamos falando de cerca de 6 bilhões de pares de bases em cada célula! Este é o livro mais longo que eu já li. Tem cerca de 1.000 páginas.

Se fôssemos preenchê-lo com a nossa seqüência de DNA, precisaríamos de cerca de 10.000 deles para caber o nosso genoma inteiro.
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QUIZ POP!!! Vamos testar suas habilidades usando uma curta fita de DNA.

Vou dar-lhe uma sequência de bases - você dá-me a sequência de bases que aparece na outra cadeia.

Ok, aqui vai: 5'- AGGTCCG - 3' E... acabou o tempo.

A resposta é:

3'- TCCAGGC - 5' Veja como isso funciona. Não é super complicado.

Uma vez que cada base nitrogenada tem apenas uma contraparte, você pode usar uma sequência de base para prever com o que sua sequência de correspondência vai ser parecida.

Então, eu poderia fazer a mesma sequência de bases com uma fita daquele "outro" ácido nucleico, RNA? Não, não poderia.

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RNA

O RNA é certamente semelhante ao seu primo DNA. - Tem uma cadeia principal de açúcar-fosfato com bases de nucleotídeos ligadas a ela.

Mas há três diferenças principais:

1- O RNA é uma molécula de cadeia simples - nenhuma dupla hélice aqui.
2- O açúcar no RNA é a ribose, que tem um átomo de oxigênio a mais que a desoxirribose, logo, a coisa toda se inicia com um R ao invés de um D.
3- Além disso, o RNA não contém timina. Seu quarto nucleotídeo é a base uracila, por isso é ela que se liga com a adenina.

O RNA é super importante na produção de nossas proteínas, e você verá mais tarde que ele tem um papel crucial na replicação do DNA.

Mas primeiro...
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Biolo-grafias! Sim, plural esta semana! Porque quando você começar a falar sobre algo tão massivamente impressionante e elegante como DNA, você tem que perguntar: Quem imaginou isso tudo? E quão grande eram o cérebro deles? Bem sem surpresa, isso realmente tomou um monte de diferentes cérebros, em um monte de diferentes países e quase uma centena de anos de reflexão para realizar.

Os nomes que você costuma ouvir quando alguém pergunta quem descobriu o DNA são James Watson e Francis Crick.

[Assista James Watson conta como descobriu o DNA.]

Mas isso é botar banca. Eles não descobriram o DNA. Nem eles descobriram que o DNA continha a informação genética.

O DNA em si foi descoberto em 1869 por um biólogo suíço chamado Friedrich Miescher. Seu negócio era estudar as células brancas do sangue.

E ele obteve essas células brancas do sangue do modo mais horrível que se possa imaginar, da coleta de bandagens usadas a partir de um hospital vizinho.

E foi pela ciência que ele fez isso! Ele banhava as células em álcool morno para remover os lipídeos, em seguida, ele inseriu enzimas soltas sobre eles para digerir as proteínas.

O que restou, após tudo isso, foi um material cinza melequento que ele sabia que devia ser algum tipo novo da substância biológica.

Ele o chamou de "nuclein", mas mais tarde se tornaria conhecido como ácido nucleico.

Mas Miescher não sabia qual era o seu papel era ou com o que se parecia.

Um desses cientistas que ajudaram a perceber isso foi Rosalind Franklin, uma jovem biofísica em Londres, quase uma centena de anos mais tarde.

Utilizando uma técnica chamada de difração de raios-x, Franklin pode ter sido a primeira a confirmar a estrutura helicoidal do DNA.

Ela também descobriu que a coluna principal de açúcar-fosfato existia no lado de fora da sua estrutura.

Então porque é que Rosalind Franklin não é exatamente um nome familiar? Duas razões:
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1 Ao contrário de Watson & Crick, Franklin estava feliz em compartilhar dados com seus rivais. Foi Franklin que informou Watson & Crick que uma teoria anterior de uma estrutura de hélice tripla não era possível, e ao fazê-lo, indicou que o DNA pode certamente ser uma dupla hélice.

Mais tarde, suas imagens que confirmam a estrutura helicoidal de DNA foram mostradas a Watson sem o seu conhecimento.

Seu trabalho foi finalmente publicado na revista Nature, mas não até depois de dois trabalhos de Watson e Crick já terem aparecido em que a dupla apenas insinuava sua contribuição.

2 Ainda pior do que isso, o Comitê do Prêmio Nobel não podia sequer considerá-la para o prêmio que eles ganharam em 1962 por causa do quão morta ela estava.

A coisa realmente trágica é que é totalmente possível que o trabalho científico dela pode ter levou à sua morte precoce de câncer de ovário com a idade de 37.

No momento, a tecnologia de difração de Raios-X que ela estava usando para fotografar DNA requeria exposição à quantidades perigosas de radiação, e Franklin raramente tomava precauções para se proteger.

Prêmios Nobel não podem ser concedidos postumamente.

Muitos acreditam que ela teria compartilhado a medalha com Watson e Crick se ela estivesse viva para recebê-la.

Agora que sabemos o básico da estrutura do DNA, precisamos entender como ele se copia, porque as células estão constantemente se dividindo, e requerem uma cópia completa de toda aquela informação do DNA.

Acontece que nossas células são extremamente boas nisso - nossas células podem criar o equivalente a 10.000 exemplares deste livro, em apenas algumas horas.
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Isso, meus amigos, é chamado de replicação. Cada célula do seu corpo tem uma cópia do mesmo DNA.


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Veja uma replicação em tempo-real no vídeo acima (simulada).[00:01:42 ##film##]

Ela começou a partir de uma cópia original e ela vai copiar-se trilhões de vezes ao longo de toda a vida, utilizando de cada vez a metade da cadeia de DNA original como um modelo para construir uma nova molécula.

Então, como é um adolescente como a enzima Helicase? Ambos querem descompactar seus genes.
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Helicase é maravilhosa, desenrolando a dupla hélice a uma velocidade vertiginosa, fatiando as ligações de hidrogênio soltas entre os pares de bases.

O ponto onde a divisão começa é conhecida como a bifurcação de replicação, tem uma cadeia de topo, chamado de fita principal, ou a fita "boazinha" como eu a chamo e outra cadeia de baixo chamado de fita de atraso, o que eu gosto de chamar de fita "desprezível", porque é um chute no traseiro lidar com elas.

Estas seções desenroladas podem agora ser usadas como modelos para criar duas cadeias de DNA complementares.

Mas lembre-se que as duas fitas vão em direções opostas, em termos de sua estrutura química, o que significa fazer uma nova cadeia de DNA para a fita principal vai ser muito mais fácil do que para a fita de atraso.

Para a fita, boazinha, principal uma enzima chamada DNA polimerase apenas acrescenta os nucleotídeos correspondentes na haste principal por todo o caminho da molécula.

Mas antes que ele possa fazer isso ele precisa de uma seção de nucleotídeos que preencha a seção que acaba de ser descompactada.

Iniciando no começo da molécula de DNA, a DNA polimerase precisa de um pouco de um primer, apenas uma coisinha para ele enganchar de modo que possa iniciar a construção da nova cadeia de DNA.
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E por essa pequena introdução, podemos agradecer à enzima RNA primase. A fita principal só precisa deste RNA primer uma vez no início.

Então a DNA polimerase é só, "Eu tenho isso" e apenas segue a descompactação, acrescentando novos nucleotídeos na nova cadeia continuamente, por todo o caminho pela molécula.

Copiando o atraso, ou a fita desprezível, é, bem, ela é um parasita nojento.

Isso porque o DNA polimerase só pode copiar a fita na direção 5'- 3', e a fita de atraso é 3'- 5', assim o DNA polimerase só pode adicionar novos nucleotídeos para a extremidade livre, 3' de um iniciador.

[Ainda não está claro? Tente a explicação abaixo.]


Então, talvez o desprezível real aqui seja o DNA polimerase.

Desde que as fitas de atraso executem na direção oposta, que tem que ser copiado como uma série de segmentos.

Aqui que incríveis pequenas enzimas RNA Primase fazem aquilo de novo, estabelecendo um ocasional primer de RNA curto que dá ao DNA Polimerase um ponto de partida para, em seguida, trabalhar para trás ao longo da cadeia.

Isto é feito em uma tonelada de segmentos individuais, cada 1000 a 2000 pares de bases de comprimento e cada um começando com um iniciador de RNA, denominada fragmento de Okazaki após o casal de cientistas casados que descobriu esta etapa do processo em a década de 1960.

E graças a Deus que eles eram casados ​​por isso, pode simplesmente chamá-los fragmentos de Okazaki em vez de fragmentos de fulano-sicrano-Okazaki.

Estes permitem que as cadeias sejam sintetizadas em rajadas curtas.

Em seguida, um outro tipo de DNA polimerase tem de voltar e substituir todos os Primers RNA.

E então todos os pequenos fragmentos se juntam por meio de uma enzima final chamada de DNA ligase.

E é por isso que eu digo que a fita de atraso é tão desprezível! A replicação do DNA erra cerca de um a cada 10 bilhões de nucleotídeos.

Mas não pense que o seu corpo não tem um aplicativo para isso! Acontece que o DNA polimerase também pode revisar, num sentido, remover nucleotídeos a partir da extremidade de uma cadeia quando descobre uma base incompatíveis.

[A seguir, veja uma animação mostrando o DNA polimerase em ação "corrigindo" o DNA.]


Porque a última coisa que queremos é um A quando teria que ter sido um G! Considerando o quão bem embalado o DNA é em cada uma de nossas células, é honestamente incrível que mais erros não ocorram.

Lembre-se, estamos falando de milhões de milhas valiosas deste material dentro de nós.

E isso, meus amigos, é por que os cientistas não estão exagerando quando eles chamam o DNA de a mais célebre molécula de todos os tempos.

Fonte: Crash Course
[Visto no Brasil Acadêmico]

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Brasil Acadêmico: DNA: Estrutura e replicação
DNA: Estrutura e replicação
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Brasil Acadêmico
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