Replicação do DNA, Fluxo da Informação Genética e Transcrição

Descoberta do Material Genético

Por volta do século XX, sabia-se que os cromossomos eram formados por DNA e proteínas, mas não se sabia qual dessas moléculas era o material genético. A confirmação de que os genes estavam no DNA, e não nas proteínas, foi obtida através de experimentos clássicos.

Experimento de Griffith

Griffith estudou a bactéria Streptococcus pneumoniae e observou duas cepas: uma cepa virulenta (S), que provocava a morte, por possuir cápsula de polissacarídeo que a protege dos fagócitos, e uma cepa não virulenta (R). Ao injetar bactérias R vivas com bactérias S mortas, os ratos morriam, enquanto os controles permaneciam vivos. Deduziu-se que um fator de transformação transmitido das bactérias S mortas converteu as R em patogênicas. A presença desse fator permitiu que as bactérias R sintetizassem cápsula de polissacarídeo, tornando-se virulentas.

Experimento de Avery, MacLeod e McCarty

Avery, MacLeod e McCarty investigaram o princípio transformante observado por Griffith e demonstraram que apenas os extratos de bactérias S mortas que continham DNA eram capazes de produzir essa transformação. Concluiu-se que o DNA, e não a proteína, é a molécula portadora da informação biológica.

Experimento de Hershey e Chase

Alfred Hershey e Martha Chase confirmaram essa conclusão com o trabalho com o bacteriófago T2, um vírus que infecta bactérias. Cultivaram bactérias em meio contendo enxofre radioativo (³⁵S), obtendo vírus com capsídeos proteicos radioativos, e outras bactérias em meio contendo fósforo radioativo (³²P), obtendo vírus com DNA radioativo. Ao infectar bactérias com fagos com proteínas marcadas, não apareceu marcação nem nas bactérias nem nos novos fagos, que ficaram com capsídeos vazios. Já ao infectar bactérias com fagos com DNA marcado, essa marcação esteve presente tanto no interior das bactérias quanto nos novos fagos. Assim, demonstrou-se que o DNA é a molécula que passa de uma geração à seguinte.

Replicação do DNA

A duplicação do DNA é a formação de uma nova molécula complementar a partir de uma preexistente. Foram propostas três hipóteses:

1. Semiconservativa: proposta por Watson e Crick, cada hélice original serve de molde para a síntese de uma nova hélice complementar. Ao final, formam-se duas dupla-hélices, cada uma com uma hebra antiga (molde) e uma hebra nova (cópia).
2. Conservativa: após a duplicação, as duas hebras antigas permaneceriam juntas e as duas hebras novas formariam outra dupla-hélice.
3. Dispersiva: as hebras resultantes seriam formadas por fragmentos de DNA antigo e DNA recém-sintetizado.

Experimento de Meselson e Stahl

Meselson e Stahl cultivaram bactérias em meio com ¹⁵N (pesado) e depois com ¹⁴N (leve). Como as duas formas podem ser separadas por centrifugação, observaram o padrão de distribuição do DNA nas gerações, confirmando o modelo semiconservativo.

Síntese in vitro

Kornberg, com a colaboração de Severo Ochoa, estudou o mecanismo pelo qual, a partir de uma hebra de DNA, se sintetiza a nova hebra complementar, e identificou a enzima responsável por esse processo: a DNA polimerase. Essa enzima só adiciona nucleotídeos ao extremo que apresenta um carbono 3' livre, pelo que a cadeia de DNA cresce sempre no sentido 5'→3'.

Síntese in vivo

Reiji Okazaki descobriu os chamados fragmentos de Okazaki (fragmentos com cerca de 50 nucleotídeos de RNA e 1 a 2 mil de DNA). Esses fragmentos são sintetizados inicialmente pela RNA polimerase, que produz um fragmento de RNA usado como primer (cebador), a partir do qual a DNA polimerase continua o crescimento da hebra no sentido 5'→3'.

Duplicação do DNA em eucariotos

1. Fase de iniciação: existe uma sequência de nucleotídeos denominada origem de replicação, que atua como sinal de início de todo o processo. A replicação inicia-se com a enzima helicase, que rompe as pontes de hidrogênio entre as hebras complementares e as separa. As topoisomerases eliminam as tensões e os superenrolamentos produzidos na molécula, e as proteínas SSB mantêm separadas as duas hebras, formando-se a forquilha de replicação. O processo é bidirecional, formando-se bolhas ou olhos de replicação.
2. Fase de elongação: intervêm as enzimas DNA polimerase e RNA polimerase. A RNA primase sintetiza um fragmento curto de RNA denominado primer. Em seguida, a DNA polimerase III, a partir do primer, sintetiza uma hebra de DNA no sentido 5'→3' a partir de desoxirribonucleotídeos trifosfatados. Esta nova hebra tem crescimento contínuo e é chamada hebra condutora. Na outra hebra, antiparalela, a RNA primase sintetiza primers a certa distância do ponto de início, e a partir deles a DNA polimerase III sintetiza fragmentos de Okazaki. Esse processo repete-se à medida que as duas cadeias molde se separam. Depois, a DNA polimerase I remove os segmentos de RNA (primers) e adiciona nucleotídeos de DNA em seu lugar, e finalmente a DNA ligase une os diferentes fragmentos de DNA sintetizados.

Duplicação do DNA em eucariotos: é semelhante à dos procariotos, com as seguintes diferenças: (1) o DNA eucariótico está associado a histonas, formando nucleossomos; durante a replicação, as histonas antigas se distribuem entre as duas novas moléculas, e novas histonas são incorporadas; (2) o processo é muito mais lento nos eucariotos, pois o comprimento do DNA eucariótico é maior que o dos procariotos, e as histonas também influenciam o tempo de duração da replicação; (3) ocorrem fragmentos de Okazaki menores. O processo de replicação ocorre no período S do ciclo celular.

Fluxo da Informação Genética

Crick propôs a hipótese da colinearidade, na qual existe correspondência entre a sequência de nucleotídeos de um gene e a sequência de aminoácidos da enzima que esse gene codifica. O mecanismo pelo qual se passa de uma sequência de nucleotídeos do DNA a uma sequência de aminoácidos da proteína ocorre em duas etapas:

1. Transcrição: processo pelo qual a partir de uma sequência de nucleotídeos de um gene (DNA) se realiza uma cópia com sequência de nucleotídeos complementar correspondente a um RNAm. Ocorre no núcleo (em eucariotos) e no nucleoide (em procariotos).
2. Tradução: processo pelo qual se obtém uma sequência de aminoácidos a partir da sequência de ribonucleotídeos do RNAm obtido na transcrição. Ocorre nos ribossomos.

Crick propôs esse fluxo de informação como o dogma central da biologia molecular. Posteriormente, descobriu-se que os vírus de RNA com genoma de RNA (retrovírus) representam uma exceção ao dogma: neles, a molécula de RNA funciona como molde para a síntese de DNA por meio da enzima transcriptase reversa.

Mecanismo da transcrição

A transcrição é a passagem de uma sequência de DNA para uma sequência de RNA. Intervêm o DNA (molde), os ribonucleotídeos trifosfatados de A, C, G e U, a enzima RNA polimerase e cofatores. Somente uma das duas cadeias de DNA é transcrita, e, de acordo com o gene, a informação a transcrever está em uma ou outra cadeia. A enzima RNA polimerase move-se no sentido 3'→5' em relação ao DNA molde, sintetizando a nova cadeia de ribonucleotídeos complementar no sentido 5'→3'.

Transcrição em procariotos

Em procariotos existe um único tipo de RNA polimerase. O processo ocorre em quatro etapas:

1. Iniciação: antes de cada cadeia de DNA que se transcreve, existe uma região de DNA que não é transcrita, denominada promotor. Esta contém sequências de nucleotídeos às quais se associa a RNA polimerase. Uma vez fixada ao promotor, a RNA polimerase desenrola uma volta da hélice e inicia a polimerização do RNA seguindo a hebra molde de DNA.
2. Elongação: à medida que a RNA polimerase percorre a hebra molde de DNA no sentido 3'→5', sintetiza-se uma hebra de RNA no sentido 5'→3', seguindo as regras de complementaridade.
3. Finalização: ocorre quando a RNA polimerase chega a uma sequência denominada terminador (geralmente rica em C e G, seguida de muitas timinas).
4. Maturação: processamento do transcrito primário para a formação do RNA funcional.