OS GENES SÃO DNA

dupla hélice e pareiam umas com as outras por meio depontes de hidrogênio, formando somente os pares A-T ouG-C.

• O diâmetro da dupla hélice é de 20 Å, havendo uma voltacompleta a cada 34 Å, com cada volta composta por dezpares de bases.

• A dupla hélice forma um sulco maior (largo) e outro me-nor (estreito).

1.7 A Replicação do DNA É Semiconservativa• O experimento de Meselson-Stahl empregou marcação por

densidade para provar que uma única cadeia polinucleotí-dica é a unidade de DNA que é conservada durante a repli-cação.

• Cada fita de um duplex de DNA atua como molde na sínte-se de uma fita filha.

• As seqüências das fitas filhas são determinadas pelo pa-reamento de bases complementares com as fitas paren-tais separadas.

1.8 As Fitas de DNA São Separadas na Forquilha de Re-plicação• A replicação do DNA é realizada por um complexo enzimá-

tico que separa as fitas parentais e sintetiza as fitas fi-lhas.

• A forquilha de replicação é o ponto onde as fitas paren-tais são separadas.

• As enzimas que sintetizam DNA são denominadas DNA po-limerases; as enzimas que sintetizam RNA são denomina-das RNA polimerases.

• Nucleases são enzimas que degradam ácidos nucléicos;estas incluem DNAases e RNAases e podem ser divididasem endonucleases e exonucleases.

1.9 A Informação Genética Pode Ser Fornecida pelo DNAou RNA• Os genes celulares são de DNA, embora vírus e viróides

possam apresentar genomas de RNA.• O DNA é convertido em RNA pela transcrição, e o RNA

pode ser convertido em DNA pela transcrição reversa.• A tradução do RNA em proteína é unidirecional.

1.10 Os Ácidos Nucléicos Hibridizam-se por Pareamentode Bases• O aquecimento promove a separação das duas fitas de um

DNA duplex.• A Tm é o ponto médio da faixa de temperatura de desnatu-

ração.• Fitas simples complementares podem renaturar quando a

temperatura é reduzida.

1.1 Introdução

1.2 O DNA É o Material Genético das Bactérias• A transformação bacteriana forneceu a primeira prova de

que o DNA é o material genético das bactérias. As pro-priedades genéticas podem ser transferidas de uma linha-gem bacteriana para outra, extraindo-se o DNA da primei-ra linhagem e adicionando-o à segunda.

1.3 O DNA É o Material Genético dos Vírus• A infecção por fagos provou que o DNA é o material gené-

tico dos vírus. Quando o DNA e as proteínas de bacterió-fagos são marcados com diferentes isótopos radioativos,apenas o DNA é transmitido para a progênie de fagos pro-duzida pelas bactérias infectadas.

1.4 O DNA É o Material Genético das Células Animais• O DNA pode ser utilizado para introduzir novas carac-

terísticas genéticas em células animais ou em animaisinteiros.

• Em alguns vírus, o material genético é RNA.

1.5 As Cadeias Polinucleotídicas Possuem Bases Nitro-genadas Ligadas a um Esqueleto de Açúcar-Fosfato• Um nucleosídeo consiste em uma base de purina ou piri-

midina ligada à posição 1 de um açúcar do tipo pentose.• As posições no anel de ribose são designadas por um após-

trofo (’) para distingui-las.• A diferença entre o DNA e o RNA está no grupamento da

posição 2’ do açúcar. O DNA possui um açúcar do tipodesoxirribose (2’-H); o RNA tem um açúcar do tipo ribose(2’-OH).

• Um nucleotídeo consiste em um nucleosídeo ligado aogrupamento fosfato tanto na posição 5’ ou 3’ da(desoxi)ribose.

• Resíduos sucessivos de (desoxi)ribose de uma cadeia po-linucleotídica são ligados por um grupamento fosfato en-tre a posição 3’ de um açúcar e a posição 5’ do açúcaradjacente.

• Uma das extremidades da cadeia (convencionalmente, aesquerda) possui uma extremidade 5’ livre, e a outra, umaextremidade 3’ livre.

• O DNA contém as quatro bases: adenina, guanina, citosi-na e timina; o RNA possui uracila, ao invés de timina.

1.6 O DNA É uma Dupla Hélice• A forma B do DNA é uma dupla hélice consistindo em duas

cadeias polinucleotídicas de sentido antiparalelo.• As bases nitrogenadas de cada cadeia são anéis planos de

purinas ou pirimidinas que se projetam para o interior da

Continua na próxima página

1Os Genes São DNA

2 CAPÍTULO 1 OS GENES SÃO DNA

• A desnaturação e a renaturação/hibridização po-dem ocorrer entre combinações de DNA-DNA,DNA-RNA ou RNA-RNA e podem ser intermole-culares ou intramoleculares.

• A capacidade de duas preparações de ácidos nu-cléicos de fita simples hibridizarem é uma me-dida de suas complementaridades.

1.11 As Mutações Modificam a Seqüência do DNA• Todas as mutações consistem em modificações

na seqüência do DNA.• Mutações podem ocorrer espontaneamente ou

serem induzidas por agentes mutagênicos.

1.12 As Mutações Podem Afetar Pares de BasesÚnicos ou Seqüências mais Longas

• Uma mutação pontual altera um único par debases.

• Mutações pontuais podem ser causadas pela con-versão química de uma base em outra, ou porerros que ocorrem durante a replicação.

• Uma transição substitui um par de bases G-Cpor um par de bases A-T, ou vice-versa.

• Uma transversão substitui uma purina por umapirimidina, tal como a modificação A-T em T-A.

• Inserções são o tipo mais comum de mutação eresultam da movimentação de elementos detransposição.

1.13 Os Efeitos das Mutações Podem SerRevertidos

nucléicos que compreendem o genoma pode con-ter um grande número de genes. Genomas de seresvivos podem conter de menos de 500 genes (nocaso de um micoplasma, um tipo de bactéria) atémais de 25.000, em um ser humano.

Neste capítulo, analisaremos as propriedades dosgenes no que se refere à sua construção molecularbásica. A FIGURA 1.1 resume os estágios de transi-ção a partir do conceito histórico do gene até a de-finição moderna do genoma.

Um genoma consiste no conjunto completo decromossomos de qualquer organismo em particu-lar. Este compreende, portanto, uma série de mo-léculas de DNA (uma para cada cromossomo), cadauma contendo muitos genes. A definição final deum genoma está na determinação da seqüência deDNA de cada cromossomo.

A primeira definição de gene como uma unidadefuncional se seguiu à descoberta de que genes indivi-duais eram responsáveis pela produção de proteínasespecíficas. A diferença na natureza química entre oDNA do gene e o seu produto protéico levou ao con-ceito de que um gene codifica uma proteína. Isso, porsua vez, levou à descoberta de um aparato complexoque permite à seqüência de DNA de um gene origi-nar a seqüência de aminoácidos de uma proteína.

1.1 Introdução

A natureza hereditária de todo o organismo vivo édefinida por seu genoma, que consiste em uma lon-ga seqüência de ácido nucléico, que fornece a in-formação necessária para construir o organismo. Uti-lizamos o termo “informação”, porque o genomapor si só não desempenha qualquer papel ativo naconstrução do organismo: na realidade, é a seqüên-cia das subunidades individuais (bases) do ácidonucléico que determina as características hereditá-rias. Por meio de uma complexa série de intera-ções, essa seqüência é utilizada para produzir todasas proteínas do organismo no momento e local apro-priados. As proteínas fazem parte da estrutura doorganismo, ou apresentam a capacidade de cons-truir as estruturas, ou ainda realizam as reações me-tabólicas necessárias à vida.

O genoma contém o conjunto completo da in-formação hereditária para qualquer organismo. Fi-sicamente, o genoma pode ser dividido em algu-mas moléculas diferentes de ácidos nucléicos. Fun-cionalmente este pode ser dividido em genes. Cadagene corresponde a uma seqüência no interior doácido nucléico, a qual representa uma única proteí-na. Cada uma das diferentes moléculas de ácidos

• As mutações diretas inativam um gene, e as mu-tações reversas (ou revertentes) revertem seusefeitos.

• As inserções podem ser revertidas pela deleçãodo material inserido, e as deleções não são re-vertidas.

• A supressão ocorre quando uma mutação em umsegundo gene anula o efeito da mutação do pri-meiro gene.

1.14 As Mutações São Concentradas emHotspots• A freqüência de uma mutação em qualquer par

de bases é determinada por uma flutuação esta-tística, exceto nos hotspots (“sítios quentes”),onde a freqüência é aumentada em pelo menosuma ordem de grandeza.

1.15 Muitos Hotspots Resultam de BasesModificadas• Uma causa comum de ocorrência de hotspots é a

presença da base modificada 5-metilcitosina, queé espontaneamente desaminada, originando ti-mina.

1.16 Alguns Agentes Hereditários Sãoextremamente Pequenos• Alguns agentes hereditários muito pequenos não

codificam proteínas e consistem em RNA ou pro-teína com propriedades hereditárias.

1.17 Resumo

A partir da demonstração de que um gene con-siste em DNA, e que o cromossomo consiste emum longo segmento de DNA representando mui-tos genes, podemos passar para a organização geraldo genoma no que se refere à sua seqüência deDNA. No Capítulo 3 – O Gene Interrompido –,abordaremos em maior detalhe a organização dogene e a sua representação na forma de proteínas.No Capítulo 4 – O Conteúdo do Genoma –, con-sideraremos o número total de genes e, no Capítu-lo 6 – Agrupamentos e Repetições –, discutiremosoutros componentes do genoma e a manutençãode sua organização.

1.2 O DNA É o Material Genéticodas Bactérias

Conceitos Essenciais• A transformação bacteriana forneceu a primeira prova

de que o DNA é o material genético das bactérias. Aspropriedades genéticas podem ser transferidas de umalinhagem bacteriana para outra, extraindo-se o DNA daprimeira linhagem e adicionando-o à segunda.

A idéia de que o material genético é um ácido nu-cléico tem suas raízes na descoberta da transforma-ção, em 1928. A bactéria pneumococo mata camun-dongos causando-lhes pneumonia. A virulênciadesta bactéria é determinada por seu polissacarídeocapsular. Esse é um componente de superfície quepermite à bactéria escapar da destruição pelo hos-pedeiro. Muitos tipos (I, II e III) de pneumococoapresentam diferentes polissacarídeos capsulares.Estes possuem uma aparência lisa (S, do inglês smoo-th). Cada um dos tipos lisos de pneumococo podeoriginar variantes que não produzem o polissacarí-deo capsular. Essas bactérias têm uma superfícierugosa (R, do inglês rough) (consistindo no mate-rial que se encontra abaixo do polissacarídeo cap-sular). Estas são avirulentas. Não são capazes dematar os camundongos, pois a ausência do polissa-carídeo permite ao animal destruí-las.

Quando bactérias lisas são mortas por tratamen-to térmico, elas perdem a capacidade de causar da-nos ao animal. No entanto, bactérias S mortas pelocalor misturadas a bactérias variantes R ineficazesproduzem um efeito bastante diferente daqueleobtido por cada uma isoladamente. A FIGURA 1.3mostra que quando estas são injetadas simulta-neamente em um animal, o camundongo morreem decorrência de uma infecção pneumocócica.Bactérias virulentas S podem ser recuperadas docamundongo morto.

1995 Genomas bacterianos são seqüenciados

2001 O genoma humano é seqüenciado

1865 Genes são fatores particulados

1871 Descoberta dos ácidos nucléicos

1903 Cromossomos são as unidades da hereditariedade

1910 Os genes localizam-se em cromossomos

1913 Os cromossomos são arranjos lineares de genes

1927 Mutações são alterações físicas nos genes

1931 A recombinação ocorre por crossing over

1945 Um gene codifica uma proteína

1951 Primeira seqüência de uma proteína

1953 O DNA é uma dupla hélice

1958 A replicação do DNA é semiconservativa

1961 O código genético é composto de trincas

1977 Os genes eucarióticos são interrompidos

1944 O DNA é o material genético

1977 O DNA pode ser seqüenciado

1850

1900

1950

2000

Principais eventos no século da genética

FIGURA 1.1 Uma breve história da genética.

FIGURA 1.2 Um gene codifica um RNA, o qual pode codificaruma proteína.

DNA

RNA

Proteína

Um gene é uma unidade codificadora

Gene Natureza química

Seqüência de nucleotídeos

Seqüência de nucleotídeos

Seqüência de aminoácidos

A compreensão acerca do processo pelo qual umgene é expresso nos permite fazer uma definiçãomais rigorosa de sua natureza. A FIGURA 1.2 apre-senta o tema base deste livro. Um gene é uma se-qüência de DNA que produz outro ácido nucléico,o RNA. O DNA possui duas fitas de ácido nucléi-co, e o RNA possui apenas uma fita. A seqüênciado RNA é determinada pela seqüência do DNA.(De fato, ela é idêntica a uma das fitas de DNA.)Em muitos, mas não em todos, casos, o RNA éutilizado para a dirigir a produção de uma proteí-na. Assim, um gene é uma seqüência de DNA quecodifica um RNA; em genes que codificam proteínas,o RNA, por sua vez, codifica a proteína.

1.2 O DNA É O MATERIAL GENÉTICO DAS BACTÉRIAS 3


Neste experimento, as bactérias S mortas eramdo tipo III. As bactérias R vivas eras derivadas dotipo II. As bactérias virulentas recuperadas da in-fecção mista apresentavam um envoltório liso dotipo III. Assim, alguma propriedade das bactérias Sdo tipo III mortas podia transformar as bactérias Rvivas, de tal forma que eram capazes de sintetizar opolissacarídeo capsular do tipo III, tornando-se vi-rulentas.

A FIGURA 1.4 ilustra a identificação do compo-nente das bactérias mortas que é responsável pelatransformação. Este foi denominado princípiotransformante. Ele foi purificado por meio do de-senvolvimento de um sistema livre de células, noqual extratos das bactérias S mortas podiam ser adi-cionados às bactérias R vivas antes da injeção no

FIGURA 1.3 Bactérias do tipo S mortas pelo calor, ou bactériasvivas do tipo R não matam os camundongos, mas a injeçãosimultânea de ambas pode matar os camundongos tão eficien-temente quanto células do tipo S vivas.

Com cápsulaAparência lisa (S)

Sem cápsulaAparência rugosa (R)

Transformação de bactérias

Tipos de pneumococos

S vivas

Injeção de células Resultado

S mortas pelo calor

R vivas

S mortas pelo calorR vivas

Vive

Vive

Morre

Morre

animal. A purificação do princípio transformante,em 1944, revelou que se tratava do ácido desoxir-ribonucléico (DNA).

1.3 O DNA É o Material Genéticodos Vírus

Conceitos Essenciais• A infecção por fagos provou que o DNA é o material

genético dos vírus. Quando o DNA e as proteínas debacteriófagos são marcados com diferentes isótopos ra-dioativos, apenas o DNA é transmitido para a progêniede fagos produzida pelas bactérias infectadas.

A partir da demonstração de que o DNA era o ma-terial genético das bactérias, o próximo passo foidemonstrar que o DNA era o material genético deum sistema bastante diferente. O fago T2 é um ví-rus que infecta a bactéria Escherichia coli. Quandopartículas do fago (vírus) são adicionadas às bacté-rias, estas as adsorvem em sua superfície externa,parte do material penetra na bactéria e, após cer-ca de 20 minutos, cada bactéria se rompe (sofrelise), liberando um grande número da progêniede fagos.

A FIGURA 1.5 ilustra os resultados de um expe-rimento realizado em 1952, no qual bactérias fo-ram infectadas com fagos T2, os quais haviam sidomarcados radioativamente ou em seu DNA (com32P), ou em seu componente protéico (com 35S).As bactérias infectadas foram agitadas em um ho-mogeneizador, e duas frações foram separadas porcentrifugação. Uma fração continha os capsídeosvazios dos fagos que foram liberados da superfíciedas bactérias; a outra consistia nas próprias bacté-rias infectadas.

A maior parte da marcação de 32P estava pre-sente nas bactérias infectadas. A progênie de partí-culas virais produzidas pela infecção continha ~30%da marcação original de 32P. A progênie recebeumuito pouco – menos de 1 % – da proteína conti-da na população original de fagos. Os capsídeosvirais consistem em proteínas e, portanto, apresen-tavam a marcação com 35S radioativo. Portanto, esteexperimento mostrou diretamente que apenas oDNA dos fagos parentais entra nas bactérias e en-tão se torna parte da progênie viral, o que corres-ponde exatamente ao padrão de hereditariedade es-perado para o material genético.

Um fago se reproduz comandando a maquina-ria de uma célula hospedeira infectada, no sentidode que esta produza mais cópias suas. O fago pos-

FIGURA 1.4 O DNA das bactérias do tipo S pode transformar asbactérias do tipo R em bactérias do mesmo tipo S.

Bactérias S vivasrecuperadas docamundongo morto

DNA extraído

Transformação Bactérias R Bactérias S

O princípio transformante é o DNA

Camundongo injetado combactérias S mortas pelo calore bactérias R vivas

sui um material genético cujo comportamento éanálogo ao apresentado por genomas celulares: seustraços são reproduzidos de forma fiel e são subme-tidos às mesmas regras que governam a hereditarie-dade. O caso do T2 reforça a conclusão geral deque o DNA é o material genético, sendo este partedo genoma de uma célula ou de um vírus.

1.4 O DNA É o Material Genéticodas Células Animais

Conceitos Essenciais• O DNA pode ser utilizado para introduzir novas carac-

terísticas genéticas em células animais ou em animaisinteiros.

• Em alguns vírus, o material genético é RNA.

Quando DNA é adicionado a populações de célu-las eucarióticas em cultura, o ácido nucléico entrana célula e, em algumas delas, resulta na produçãode novas proteínas. Quando um DNA purificado éusado, sua incorporação leva à produção de umaproteína em particular. A FIGURA 1.6 representa umdos sistemas-padrão.

Apesar de, por razões históricas, esses experi-mentos serem denominados transfecção, quando

FIGURA 1.5 O material genético do fago T2 é DNA.

Apenas DNA é herdado pela progênie de fagos

As bactériasinfectadascontêm 70%da marcade 32P

A progêniede fagos têm30% da marca de 32P e menos de 1% da marca de 35S

Bactérias infectadas comfagos marcados

Separação dos capsídeos e das bactérias

Os capsídeoscontêm 80% damarca de 35S Partículas virais da

progênie são separadas

35S na Proteína

32P no DNA

Adição do DNA TK +

Células que não possuem o gene TK não conseguem produzir timidina-quinase e morrem na ausência de timidina

Algumas células incorporam o gene TK; descendentes de uma célula transfectada se acumulam, originando uma colônia

Células mortas

Células vivas

A transfecção introduz DNA novo em células

Colônia decélulas TK +

realizados em células eucarióticas, são um equiva-lente direto da transformação bacteriana. O DNAque é introduzido na célula receptora se torna par-te do seu material genético e é herdado da mesmaforma que qualquer outra parte. Sua expressão con-fere um novo traço às células (síntese de timidina-quinase, no exemplo da Figura 1.6). Inicialmente,esses experimentos foram bem-sucedidos apenascom células individuais, adaptadas ao crescimentoem meio de cultura. Desde então, no entanto, DNAfoi introduzido em óvulos de camundongos pormicroinjeção, tornando-se uma parte estável do ma-terial genético do camundongo.

Tais experimentos mostram diretamente quealém do DNA ser o material genético de eucario-tos, ele pode ser transferido entre diferentes espécies eainda permanecer funcional.

O material genético de todos os organismos co-nhecidos e de muitos vírus é o DNA. Entretanto,alguns vírus usam um tipo alternativo de ácido nu-cléico, o ácido ribonucléico (RNA), como materialgenético. Assim, o princípio geral em relação à na-tureza do material genético é tal que este é sempreum ácido nucléico, o DNA, exceto nos casos dosvírus de RNA.

FIGURA 1.6 Células eucarióticas podem adquirir um novo fe-nótipo como resultado de transfecção pela adição de DNA.

1.4 O DNA É O MATERIAL GENÉTICO DAS CÉLULAS ANIMAIS 5


1.5 As Cadeias PolinucleotídicasPossuem Bases NitrogenadasLigadas a um Esqueleto deAçúcar-Fosfato

Conceitos Essenciais• Um nucleosídeo consiste em uma base de purina ou

pirimidina ligada à posição 1 de um açúcar do tipopentose.

• As posições no anel de ribose são designadas por umapóstrofo (’) para distingui-las.

• A diferença entre o DNA e o RNA está no grupamentoda posição 2’ do açúcar. O DNA possui um açúcar dotipo desoxirribose (2’-H); o RNA tem um açúcar do tiporibose (2’-OH).

• Um nucleotídeo consiste em um nucleosídeo ligado aogrupamento fosfato tanto na posição 5’ ou 3’ da(desoxi)ribose.

• Resíduos sucessivos de (desoxi)ribose de uma cadeiapolinucleotídica são ligados por um grupamento fosfa-to entre a posição 3’ de um açúcar e a posição 5’ doaçúcar adjacente.

• Uma das extremidades da cadeia (convencionalmente,a esquerda) possui uma extremidade 5’ livre, e a outra,uma extremidade 3’ livre.

• O DNA contém as quatro bases: adenina, guanina, citosi-na e timina; o RNA possui uracila, ao invés de timina.

O bloco constituinte básico dos ácidos nucléicos éo nucleotídeo, o qual possui três componentes:

• Uma base nitrogenada,• um açúcar, e• um fosfato.

A base nitrogenada é um anel de purina ou pi-rimidina. A base é unida à posição 1 de um açúcardo tipo pentose por uma ligação glicosídica a par-tir do N1 das pirimidinas ou N9 das purinas. Paraeliminar ambigüidades entre os sistemas de nume-ração dos anéis heterocíclicos e do açúcar, as posi-ções na pentose são designadas pelo apóstrofo (´).

Os ácidos nucléicos são denominados de acor-do com o tipo de açúcar; o DNA possui uma 2´-desoxirribose; o RNA possui ribose. A diferença estáno fato de o açúcar no RNA apresentar um grupa-mento OH na posição 2´ do anel de pentose. Oaçúcar pode ser ligado por suas posições 5´ ou 3´ aum grupamento fosfato.

Um ácido nucléico consiste em uma longa ca-deia de nucleotídeos. A FIGURA 1.7 mostra que oesqueleto da cadeia polinucleotídica consiste emuma série alternada de resíduos de pentose (açú-car) e de fosfato. Essa cadeia é construída pela liga-ção da posição 5´ do anel de pentose à posição 3´do anel da próxima pentose, por meio do grupa-mento fosfato. Assim, o esqueleto de açúcar-fosfa-to consiste em ligações fosfodiéster 5´-3´. As basesnitrogenadas “salientam-se” a partir do esqueleto.

Cada ácido nucléico contém quatro tipos de ba-ses. As duas purinas, adenina e guanina, estão pre-sentes no DNA e no RNA. No DNA, as duas piri-midinas são citosina e timina; no RNA, a uracila éencontrada no lugar da timina. A única diferençaentre uracila e timina é a presença de um metil naposição C5. As bases são em geral referidas por ini-ciais. O DNA contém A, G, C e T; o RNA contémA, G, C e U.

O nucleotídeo terminal em uma extremidadeda cadeia possui um grupamento 5´ livre; e o nu-cleotídeo terminal na outra extremidade possui umgrupamento 3´ livre. Convencionou-se redigir asseqüências de DNA na direção 5´ para 3´ – isto é,a partir da extremidade 5´, à esquerda, para a ter-minação 3´, à direita.

1.6 O DNA É uma Dupla Hélice

Conceitos Essenciais• A forma B do DNA é uma dupla hélice consistindo em

duas cadeias polinucleotídicas de sentido antiparalelo.• As bases nitrogenadas de cada cadeia são anéis planos

de purinas ou pirimidinas que se projetam para o inte-rior da dupla hélice e pareiam umas com as outras pormeio de pontes de hidrogênio, formando somente ospares A-T ou G-C.

• O diâmetro da dupla hélice é de 20 Å, havendo umavolta completa a cada 34 Å, com cada volta compostapor dez pares de bases.

• A dupla hélice forma um sulco maior (largo) e outromenor (estreito).

A observação de que as bases estavam presentes emdiferentes quantidades em DNAs de diferentes es-pécies levou ao conceito de que a seqüência de basesé a forma pela qual a informação genética é transmi-tida. Por volta dos anos 1950, o conceito de infor-mação genética era comum: os dois problemas im-postos referiam-se a como trabalhar na estruturado ácido nucléico e a explicar de que maneira umaseqüência de bases no DNA podia representar a se-qüência de aminoácidos de uma proteína.

A convergência de três conceitos levou à cons-trução do modelo de dupla hélice do DNA pro-posto por Watson e Crick, em 1953:

• Dados de difração de raios X revelaram queo DNA possuía a forma de uma hélice regu-lar, apresentando uma volta completa a cada34 Å (3,4 nm), com um diâmetro de ~20 Å(2nm). Uma vez que a distância entre nu-cleotídeos adjacentes é de 3,4 Å, deveriamhaver 10 nucleotídeos por volta.

• A densidade do DNA sugere que a hélicedeve conter duas cadeias polinucleotídicas.

FIGURA 1.7 Uma cadeia polinucleotídica consiste em uma série de liga-ções de açúcar-fosfato 5’-3’ que forma um esqueleto a partir do qual asbases se projetam.

O diâmetro constante da hélice pode serexplicado se as bases em cada cadeia estive-rem voltadas para o interior e restrinjam-sede tal forma que uma purina está sempreem oposição a uma pirimidina, evitando opareamento de purina-purina (muito largo)e pirimidina-pirimidina (muito estreito).

• Independente das quantidades absolutas decada base, a proporção de G é sempre igualà proporção de C no DNA, e a proporçãode A é sempre a mesma de T. Assim, a com-posição de qualquer DNA pode ser descritapela proporção de suas bases, isto é G + C.Essa proporção varia de 26 a 74% nas dife-rentes espécies.

Watson e Crick propuseram que as duas ca-deias, polinucleotídicas na dupla hélice se asso-ciavam por pontes de hidrogênio entre as bases ni-trogenadas. G pode formar especificamente pon-tes de hidrogênio apenas com C, e A pode for-mar especificamente com T. Essas reações são des-critas como pareamento de bases, e as bases pa-readas (G com C, ou A com T) são ditas com-plementares.

O modelo propôs ainda que as duas cadeias po-linucleotídicas corriam em direções opostas (anti-paralelas), como ilustrado na FIGURA 1.8. Obser-vando-se ao longo da hélice, uma fita corre na dire-ção 5´ para 3´, e a outra, de 3´ para 5´.

O esqueleto de açúcar-fosfato situa-se na faceexterna e apresenta cargas negativas nos grupamen-tos fosfato. Quando o DNA está em solução in vi-tro, as cargas são neutralizadas pela ligação de íonsmetálicos, tipicamente Na+. Na célula, proteínascarregadas positivamente contribuem com parte daforça de neutralização. Essas proteínas desempe-nham um importante papel na determinação da or-ganização do DNA na célula.

As bases encontram-se voltadas para o interior.Estas são estruturas planas, que se dispõem aos pa-res, perpendiculares ao eixo da hélice. Consideran-do a dupla hélice como uma escada em espiral, ospares de bases seriam os degraus, conforme ilustra-do esquematicamente na FIGURA 1.9. Prosseguin-do ao longo da hélice, as bases estão empilhadasumas sobre as outras, semelhante a uma pilha depratos.

Cada par de bases é rotado em aproximadamente36o ao redor do eixo da hélice, em relação ao próxi-mo par. Assim, ~10 pares de bases formam umavolta completa de 360o. A torção das duas fitas for-ma uma dupla hélice contendo um sulco menor(~12 Å de largura) e um sulco maior (~22 Å delargura), como pode ser visto no modelo em escala

3’

5’

Base de pirimidina

Subunidade de nucleotídeo

Base de purina

Esqueleto de açúcar-fosfato

Um polinucleotídeo apresenta uma estrutura repetitiva

Ligações fosfodiéster 5’-3’

H2C

H2C

O

O

H2C O

O

P O O

O

O

P O O

O

O

P O O O

O

Os fosfatostêm carga negativa

O interior é hidrofóbico

DNA Ponte de hidrogênio

ESQUELETODE AÇÚCAR-

FOSFATO

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

O

O

T

C G

A

3´

5´

3´

5´

O

O

T

CG

A

H3C

H H

H

H H

H

H

H

H

N

N N N N

N H H

H HN

H O N

N

N

N N N

N

H H H

H

H H

N

H H

CH3

H

H N

N N

N N

N H

N

N

H

H H

N N N

N

N

N N

O

O

O

A dupla hélice apresenta largura constante

FIGURA 1.8 A dupla hélice mantém uma largura constante, porque as purinas sempre seposicionam frente a pirimidinas nos pares de bases complementares A-T e G-C. A seqüênciana figura é T-A, C-G, A-T, G-C.

1.6 O DNA É UMA DUPLA HÉLICE 7


da FIGURA 1.10. A dupla hélice é dextrógira; as vol-tas se dão no sentido horário ao longo do eixo dahélice. Essas características representam o modeloaceito para o que é conhecido como forma B doDNA.

É importante notar que a forma B representauma média, e não uma estrutura precisamente es-pecificada. A estrutura do DNA pode sofrer altera-ções locais. Se esta apresenta mais bases por voltas édenominada superenovelada; se apresenta menosbases por volta é denominada relaxada. O enovela-mento local pode ser afetado pela conformação glo-bal da dupla hélice de DNA no espaço ou pela liga-ção de proteínas em sítios específicos.

1.7 A Replicação do DNA ÉSemiconservativa

Conceitos Essenciais• O experimento de Meselson-Stahl empregou marcação

por densidade para provar que uma única cadeia poli-nucleotídica é a unidade de DNA que é conservada du-rante a replicação.

• Cada fita de um duplex de DNA atua como molde nasíntese de uma fita filha.

• As seqüências das fitas filhas são determinadas pelopareamento de bases complementares com as fitas pa-rentais separadas.

É crucial que o material genético seja reproduzidode forma precisa. As duas fitas polinucleotídicas sãoligadas apenas por pontes de hidrogênio; assim, sãocapazes de se separar sem requerer quebras de liga-ções covalentes. A especificidade do pareamento debases sugere que cada uma das fitas parentais se-paradas possa agir como fita molde na síntese deuma fita filha complementar. A FIGURA 1.11 mos-tra o princípio pelo qual uma fita filha é monta-da sobre cada uma das fitas parentais. A seqüên-cia da fita filha é determinada pela fita parental,um A na fita parental promove a colocação deum T na fita filha, um G parental direciona a in-corporação de um C na fita filha, e assim suces-sivamente.

A parte superior da Figura 1.11 ilustra um du-plex parental (não-replicado) que consiste nas duasfitas parentais originais. A parte inferior mostra osdois dúplices filhos que estão sendo produzidos pormeio do pareamento de bases complementares.Cada um dos dúplices filhos possui uma seqüênciaidêntica à parental original, contendo uma fita pa-

G G

C C

T A

G G

C C

G

G G G C

T A

G

C

Açúcar Base Fosfato

5′

3′ 5′

3′

Pares de bases planos conectam as fitas de DNA

FIGURA 1.9 Os pares de bases planos estão perpendiculares aoesqueleto de açúcar-fosfato.

Sulco maior

A dupla hélice de DNA possui dois sulcos

Sulco menor

Diâmetro de 20 ÅDiâmetro de 20 Å

Largura de 12 Å

Largura de 12 Å

Largura de 22 Å

Largura de 22 Å

34 Å por volta da hélice

FIGURA 1.10 As duas fitas de DNA formam uma dupla hélice.Photo© Photodisc.

FIGURA 1.11 O pareamento de bases fornece o mecanismo dereplicação do DNA.

O pareamento de bases é responsávelpela especificidade da replicação

A

C G

A T

G G

T

C

A

G C

T

G

A

C T

A

G

T

C G

A

C

T

T

C

A

Fita filha Fita filha

As fitasparentais sãodeseno-veladas

brida e a outra metade é inteiramente leve (as duasfitas são azuis).

As fitas individuais desses dúplices são inteiramentepesadas ou leves. Esse padrão foi confirmado experi-mentalmente pelo experimento de Meselson-Stahlem 1958, que acompanhou a replicação do DNApor três gerações de crescimento de E. coli. Quan-do o DNA era extraído das bactérias e sua densi-dade medida por centrifugação, o DNA origina-va bandas correspondentes à sua densidade –pesada para o parental, híbrida na primeira gera-ção e metade híbrida e metade leve na segundageração.

1.8 As Fitas de DNA São Separadasna Forquilha de Replicação

Conceitos Essenciais• A replicação do DNA é realizada por um complexo enzi-

mático que separa as fitas parentais e sintetiza as fitasfilhas.

• A forquilha de replicação é o ponto onde as fitas pa-rentais são separadas.

• As enzimas que sintetizam DNA são denominadas DNApolimerases; as enzimas que sintetizam RNA são deno-minadas RNA polimerases.

• Nucleases são enzimas que degradam ácidos nucléicos;estas incluem DNAases e RNAases e podem ser dividi-das em endonucleases e exonucleases.

A replicação requer a separação das duas fitas doduplex parental. No entanto, a ruptura da estrutu-ra é apenas transiente, sendo revertida à medidaque o duplex filho é formado. Somente um peque-

As fitas simples de DNA são as unidades conservadas

PESADO

Geração 2Geração 1DNA parental

HÍBRIDO

HÍBRIDO

HÍBRIDO

HÍBRIDO

LEVE

LEVE

Análise de densidade

Replicação em meio de densidadeleve

LeveHíbrido Pesado

LeveHíbrido Pesado

LeveHíbrido Pesado

FIGURA 1.12 A replicação do DNA é semiconservativa.

rental e uma recém-sintetizada. A estrutura do DNAcarrega a informação necessária para perpetuar a suaseqüência.

As conseqüências desse modo de replicação sãoilustradas na FIGURA 1.12. O duplex parental é re-plicado, formando dois dúplices filhos, cada umconsistindo em uma fita parental e uma fita filha(recém-sintetizada). A unidade conservada de umageração para a próxima é uma das duas fitas indivi-duais que compreendiam o duplex parental. Esse com-portamento é denominado replicação semiconser-vativa.

A Figura 1.12 ilustra a predição desse modelo.Se o DNA parental carrega uma marca de densida-de “pesada” devido ao organismo ter sido cultivadoem um meio contendo um isótopo apropriado (porexemplo, 15N), suas fitas podem ser diferenciadasdaquelas que são sintetizadas quando o organismoé transferido para um meio contendo isótopos nor-mais “leves”.

O DNA parental, consiste em um duplex comduas fitas pesadas (vermelhas). Após uma geraçãode crescimento em meio leve, o duplex de DNAapresenta densidade “híbrida” – que consiste emuma fita parental pesada (vermelha) e uma fita fi-lha leve (azul). Após uma segunda geração, as duasfitas de cada duplex híbrido foram separadas. Cadauma recebe uma complementar leve, de forma queagora metade dos dúplices de DNA permanece hí-

1.8 AS FITAS DE DNA SÃO SEPARADAS NA FORQUILHA DE REPLICAÇÃO 9


no segmento do duplex de DNA é separado emfitas simples, em qualquer momento.

A estrutura helicoidal de uma molécula de DNAenvolvida na replicação é ilustrada na FIGURA 1.13.A região não replicada consiste no duplex parental,que se abre na região replicada, onde os dois dúpli-ces filhos se formaram. A estrutura em dupla héliceé rompida na junção entre as duas regiões, a qual édenominada forquilha de replicação. A replicaçãoenvolve a movimentação da forquilha de replica-ção ao longo do DNA parental; assim, ocorre umdesenovelamento contínuo das fitas parentais e umenovelamento dos dúplices filhos.

A síntese de ácidos nucléicos é catalisada porenzimas específicas, que reconhecem o molde e rea-lizam a tarefa de catalisar a adição de subunidadesà cadeia polinucleotídica que está sendo sintetiza-da. As enzimas são denominadas de acordo com otipo de cadeia que está sendo sintetizada: as DNA

polimerases sintetizam DNA e as RNA polimera-ses sintetizam RNA.

A degradação de ácidos nucléicos também re-quer enzimas específicas: desoxirribonucleases(DNAases) degradam DNA e ribonucleases(RNAases) degradam RNA. As nucleases sãoagrupadas nas classes gerais de exonucleases e en-donucleases:

• As endonucleases clivam ligações no interiorde moléculas de RNA ou DNA, gerandofragmentos distintos. Algumas DNAases cli-vam as duas fitas de um duplex de DNA nosítio-alvo, e outras clivam apenas uma dasduas fitas. As endonucleases estão envolvi-das em reações de clivagem conforme apre-sentado na FIGURA 1.14.

• As exonucleases removem sucessivos resíduosindividuais da extremidade da molécula, ge-rando mononucleotídeos. Elas sempre atuamem uma única fita de ácido nucléico, sendoque cada exonuclease prossegue em uma di-reção específica, isto é, a partir da extremi-dade 5’ ou 3’, prosseguindo em direção àoutra extremidade. Tais enzimas estão en-volvidas em reações que aparam as extremi-dades, como mostrado na FIGURA 1.15.

1.9 A Informação Genética Pode SerFornecida pelo DNA ou RNA

Conceitos Essenciais• Os genes celulares são de DNA, embora vírus e viróides

possam apresentar genomas de RNA.• O DNA é convertido em RNA pela transcrição, e o RNA

pode ser convertido em DNA pela transcrição reversa.• A tradução do RNA em proteína é unidirecional.

O dogma central define o paradigma da biologiamolecular. Os genes são perpetuados como seqüên-cias de ácidos nucléicos, mas atuam sendo expres-sos sob a forma de proteínas. A replicação é res-ponsável pela herança da informação genética. Atranscrição e a tradução são responsáveis pela con-versão dessa informação de uma forma para outra.

A FIGURA 1.16 ilustra os papéis da replicação,da transcrição e da tradução, vistas pela perspectivado dogma central:

• A perpetuação do ácido nucléico pode envolvertanto DNA ou RNA como material genético.As células utilizam apenas DNA. Alguns ví-rus usam RNA, e a replicação do RNA viralocorre na célula infectada.

FIGURA 1.15 Uma exonuclease remove uma base de cada vez,clivando a última ligação em uma cadeia polinucleotídica.

FIGURA 1.14 Uma endonuclease cliva uma ligação no interiorde um ácido nucléico. Esse exemplo mostra uma enzima queataca uma fita de um duplex de DNA.

Endonucleases atacam ligações internas

Ligação quebrada

DNAs replicadosDNA parental

Forquilha de replicação

Uma forquilha de replicação move-se ao longo do DNA

FIGURA 1.13 A forquilha de replicação é a região do DNA naqual há uma transição entre o duplex parental desenovelado eos dúplices filhos recém-sintetizados.

Exonucleases degradam a partir das extremidades

FIGURA 1.16 O dogma central afirma que a informação noácido nucléico pode ser perpetuada ou transferida, mas a trans-ferência de informação em proteína é irreversível.

• A expressão da informação genética celular égeralmente unidirecional. A transcrição doDNA gera moléculas de RNA que podemser usadas em seguida apenas para gerar se-qüências de proteínas; via de regra, os RNAsnão podem ser recuperados e usados comoinformação genética. A tradução do RNAem proteínas é sempre irreversível.

Esses mecanismos são igualmente efetivos emrelação à informação genética de procariotos e deeucariotos e para a informação carreada por vírus.Os genomas de todos os seres vivos consistem emum duplex de DNA. Vírus têm genomas que con-sistem em DNA ou RNA, havendo exemplos decada um dos tipos, que são fitas duplas (fd) ou fitassimples (fs). Detalhes do mecanismo usado para re-plicar o ácido nucléico variam dentre os sistemasvirais, mas o princípio da replicação via síntese defitas complementares é o mesmo, como ilustradona FIGURA 1.17.

Os genomas celulares reproduzem o DNA pelomecanismo de replicação semiconservativa. Os ge-nomas virais de fita dupla, DNA ou RNA, tam-bém se replicam usando as fitas individuais do du-plex como moldes para a síntese das fitas comple-mentares.

Os vírus com genomas de fita simples usam afita simples como molde para sintetizar uma fitacomplementar; essa fita complementar é, por suavez, utilizada para sintetizar o seu complemento,que é, obviamente, idêntico à fita original. A repli-cação pode envolver a formação de intermediários

DNA

RNA

Proteína

Replicação

Replicação

Transcriçãoreversa

Transcrição

Tradução

O dogma central descreve o fluxo da informação

A fita simples parentalé usada para sintetizara fita complementar

A fita complementaré usada para sintetizaruma cópia da fita parental

Os ácidos nucléicos replicam-sepor meio de fitas complementares

Molde de fita dupla

Fitas novas

Fita antiga

Fita antiga

A replicação gera dois dúplices filhos, cada um contendo uma fita parental e uma fita recém-sintetizada

Molde defita simples

FIGURA 1.17 Ácidos nucléicos de fita dupla e de fita simplesreplicam-se pela síntese de fitas complementares, dirigida pe-las regras do pareamento de bases.

estáveis de fita dupla ou o uso de ácidos nucléicosde fita dupla somente como um estágio transitório.

A restrição em relação à transferência unidire-cional de DNA para RNA não é absoluta. Esta ésuperada pelos retrovírus, cujos genomas consis-tem em moléculas de RNA de fita simples. Duran-te o ciclo infectivo, o RNA é convertido pelo pro-cesso de transcrição reversa em um DNA de fitasimples, o qual é, por sua vez, convertido em umDNA de fita dupla. Esse duplex de DNA torna-separte do genoma da célula, sendo herdado comoqualquer outro gene. Assim, a transcrição reversa per-mite que uma seqüência de RNA seja recuperada eutilizada como informação genética.

A existência da replicação de RNA e da trans-crição reversa estabelece o princípio geral de que ainformação sob a forma de seqüências de qualquerum dos tipos de ácido nucléico pode ser convertida nooutro tipo. No entanto, durante o curso habitualdos eventos, a célula baseia-se nos processos de re-plicação do DNA, de transcrição e de tradução. En-tretanto, em ocasiões raras (possivelmente media-das por um vírus de RNA), a informação de umRNA celular é convertida em DNA e inserida nogenoma. Embora a transcrição reversa não desem-penhe um papel nas operações regulares da célula, estatorna-se um mecanismo de potencial importânciaquando consideramos a evolução do genoma.

Os mesmos princípios são seguidos na perpe-tuação da informação genética de genomas enor-

1.9 A INFORMAÇÃO GENÉTICA PODE SER FORNECIDA PELO DNA OU RNA 11


mes de plantas ou anfíbios, de pequenos genomascomo de micoplasmas, ou ainda informações ge-néticas menores de vírus de RNA ou DNA. A FI-GURA 1.18 resume alguns exemplos que ilustram avariação de tipos e tamanhos de genomas.

Ao longo de toda a gama de organismos, cujoconteúdo total dos genomas varia em uma ordemde até 100.000 vezes, um princípio comum preva-lece: O DNA codifica todas as proteínas que a(s)célula(s) do organismo devem sintetizar, e as proteí-nas, por sua vez, (direta ou indiretamente) fornecemas funções necessárias à sobrevivência. Um princípiosimilar descreve a função da informação genéticados vírus, sejam de DNA ou RNA: O ácido nucléi-co codifica a(s) proteína(s) necessária(s) para empaco-tar o genoma e também para quaisquer outras funçõesadicionais àquelas fornecidas pela célula hospedeira,necessárias à reprodução viral durante seu ciclo infec-tivo. (O menor vírus – o vírus satélite da necrosedo tabaco [STNV] – não se replica independente-mente. Ele requer a presença simultânea de um ví-rus “auxiliar” – o vírus da necrose do tabaco [TNV]– que é um vírus normalmente infeccioso.)

1.10 Os Ácidos NucléicosHibridizam-se por Pareamentode Bases

Conceitos Essenciais• O aquecimento promove a separação das duas fitas de

um DNA duplex.• A Tm é o ponto médio da faixa de temperatura de des-

naturação.• Fitas simples complementares podem renaturar quando

a temperatura é reduzida.• A desnaturação e a renaturação/hibridização podem

ocorrer entre combinações de DNA-DNA, DNA-RNA ouRNA-RNA e podem ser intermoleculares ou intramo-leculares.

• A capacidade de duas preparações de ácidos nucléicosde fita simples hibridizarem é uma medida de suas com-plementaridades.

Uma propriedade crucial da dupla hélice é a ca-pacidade de separar-se sem romper as ligações co-valentes. Isso torna possível a separação e a reu-nião das duas fitas sob condições fisiológicas, emvelocidades (muito rápidas) necessárias à manu-tenção das funções genéticas. A especificidade deprocesso é determinada pelo pareamento de ba-ses complementares.

O conceito de pareamento de bases é central paratodos os processos envolvendo ácidos nucléicos. A rup-tura dos pares de bases é um aspecto crucial da funçãode uma molécula de fita dupla, enquanto a capacida-de de formar pares de bases é essencial à atividade deum ácido nucléico de fita simples. A FIGURA 1.19mostra que o pareamento de bases permite que áci-dos nucléicos de fita simples formem uma estrutu-ra em duplex.

• Uma região de duplex intramolecular podeser formada pelo pareamento de bases en-tre duas seqüências complementares quefazem parte de uma molécula de fita sim-ples.

• Uma molécula de fita simples pode parearsuas bases com uma molécula de fita sim-ples complementar independente, forman-do um duplex intermolecular.

A formação de regiões de duplex a partir de áci-dos nucléicos de fita simples é mais importante parao RNA, embora DNAs de fita simples também exis-tam (em genomas virais). O pareamento de basesentre fitas simples complementares independentesnão é restrito a DNA-DNA ou RNA-RNA, po-dendo ocorrer também entre uma molécula deDNA e uma molécula de RNA.

A ausência de ligações covalentes entre fitas com-plementares permite a manipulação do DNA in

Pares debases

Número degenes

<50.00030.000 14.000 12.000

6.000 2–4.000

500

<300 ~6

~200

5 11

22

7 12 4 4 1

0

Genoma

Organismos

Vírus de fdDNA

Vírus de fsDNA

Vírus de fdRNA

Vírus de fsRNA

Viróides

PlantasMamíferosVermesMoscasFungosBactériasMicoplasmas

VaríolaPapovavírus (SV40)Fago T4

ParvovírusFago ϕX174

Reovírus

CoronavírusInfluenzaTMVFago MS2STNV

RNA PSTV

~3 x 109

~108

1,6 x 108

1,3 x 107

<107

<106

187.000 5.226

165.000

5.000 5.387

23.000

20.000 13.500 6.400 3.569 1.300

359

Os genomas apresentam umagrande variação de tamanho

<1011

F IGURA 1.18 A quantidade de ácido nucléico no genoma variaem uma escala enorme.

vitro. As forças não-covalentes que estabilizam adupla hélice são rompidas pelo aquecimento ou pelaexposição a baixas concentrações de sal. As duasfitas de uma dupla hélice separam-se completamentequando as pontes de hidrogênio entre elas são des-feitas.

O processo de separação das fitas é denomina-do desnaturação ou (mais coloquialmente) fusão.(O termo “desnaturação” é também utilizado paradescrever a perda da estrutura verdadeira de umaproteína; este é um termo geral e implica que a con-formação natural de uma macromolécula foi con-vertida em alguma outra forma.)

A desnaturação do DNA ocorre em uma faixaestreita de temperatura e promove modificaçõesprofundas em muitas de suas propriedades físicas.O ponto médio da faixa de temperatura na qual asfitas de DNA se separam é denominado temperatu-ra de fusão (Tm) (do inglês: melting temperature).Essa temperatura é dependente da proporção depares de bases G-C. Uma vez que o par G-C apre-senta três pontes de hidrogênio, é mais estável queum par A-T, que apresenta apenas duas pontes dehidrogênio. Quanto maior o conteúdo de pares debases G-C, maior será a energia necessária para se-parar as duas fitas. Em solução, sob condições fi-siológicas, um DNA que contém 40% de G-C – umvalor típico de genomas de mamíferos – se desnaturaa uma Tm de cerca de 87oC. Assim, o duplex de DNAé estável em temperaturas existentes na célula.

A desnaturação do DNA é reversível sob condi-ções apropriadas. A capacidade das duas fitas com-plementares separadas formarem novamente umadupla hélice é denominada renaturação. A renatu-ração depende do pareamento de bases específicoentre as fitas complementares. A FIGURA 1.20 mos-tra que a reação ocorre em dois estágios. Inicial-

Pareamento intermolecularentre RNAs longos e curtos

RNA curto

RNA longo

Pareamento intramolecular nointerior do RNA

DNA

RNA

Tanto o DNA como o RNA podem formar dúplices

DNA

FIGURA 1.19 O pareamento de bases ocorre no duplex de DNAe também em interações intra- e intermoleculares no RNA (ouDNA) de fita simples.

mente, as fitas simples do DNA em solução encon-tram-se aleatoriamente; se suas seqüências foremcomplementares, as duas fitas pareiam suas bases egeram uma região curta de dupla hélice. Em segui-da, a região de pareamento de bases estende-se aolongo da molécula por um efeito semelhante a umzíper, formando uma longa molécula de duplex. Arenaturação da dupla hélice restaura as propriedadesoriginais perdidas quando o DNA foi desnaturado.

A renaturação descreve a reação entre duas se-qüências complementares que foram separadas pordesnaturação. Entretanto, a técnica pode ser esten-dida para permitir que duas seqüências complemen-tares de quaisquer ácidos nucléicos reajam entre sie formem estruturas em duplex. Isso algumas é ve-zes chamado de anelamento, embora a reação sejageralmente descrita como hibridização, sempre queácidos nucléicos de diferentes origens estão envol-vidos, como no caso quando uma das preparaçõesconsiste em DNA, e a outra, em RNA. A capacida-de de duas preparações de ácidos nucléicos hibridiza-rem constitui um teste preciso de sua complementari-dade, visto que apenas seqüências complementares po-dem forma uma estrutura em duplex.

O princípio da reação de hibridização baseia-sena exposição de duas preparações de ácidos nucléi-cos de fita simples uma à outra, medindo-se emseguida a quantidade de material em fita dupla for-mado. A FIGURA 1.21 ilustra um procedimento noqual uma preparação de DNA é desnaturada e asfitas simples são adsorvidas a um filtro. Então, umasegunda preparação de DNA (ou RNA) desnatura-do é adicionada. O filtro é tratado de forma que asegunda preparação pode adsorver-se a ele somen-

FIGURA 1.20 Fitas simples de DNA desnaturado podem serrenaturadas, originando a forma de duplex.

O DNA pode ser desnaturado e renaturado

DNA de fitadupla

DNA de fitaSimples

DNA renaturado

Desnaturação

Renaturação

1.10 OS ÁCIDOS NUCLÉICOS HIBRIDIZAM-SE POR PAREAMENTO DE BASES 13


te se for capaz de parear suas bases com o DNAque foi inicialmente adsorvido. Geralmente, a se-gunda preparação é marcada radioativamente, demaneira que a reação pode ser medida pela quanti-dade de marcação radioativa retida pelo filtro.

A extensão da hibridização entre dois ácidos nu-cléicos de fita simples é determinada por sua com-plementaridade. Duas seqüências não precisam serperfeitamente complementares para hibridizarem. Seestas forem bastante relacionadas, mas não idênti-cas, um duplex imperfeito é formado, no qual opareamento de bases é interrompido nas posiçõesonde as duas fitas não são correspondentes.

1.11 As Mutações Modificam aSeqüência do DNA

Conceitos Essenciais• Todas as mutações consistem em modificações na se-

qüência do DNA.• Mutações podem ocorrer espontaneamente ou serem

induzidas por agentes mutagênicos.

As mutações fornecem evidências decisivas de queo DNA é o material genético. Quando uma modi-ficação na seqüência de DNA provoca uma altera-

O DNA é desnaturadoem solução

O DNA é desnaturado e adsorvido ao filtro

O filtro é mergulhado na solução

O DNA ligado ao filtro é medido

O ensaio em filtro mede a complementaridade

FIGURA 1.21 A hibridização no filtro estabelece se uma solu-ção de DNA (ou RNA) desnaturado contém seqüências comple-mentares às fitas imobilizadas no filtro.

ção na seqüência de uma proteína, podemos con-cluir que o DNA codifica aquela proteína. Alémdisso, uma modificação no fenótipo do organismopode permitir-nos identificar a função da proteína.A existência de muitas mutações em um gene podepossibilitar a comparação entre as muitas formasvariantes de uma dada proteína, e uma análise de-talhada pode ser usada para identificar as regiõesda proteína responsáveis por funções enzimáticasindividuais, ou outras funções.

Todos os organismos estão sujeitos a um certonúmero de mutações como resultado de operaçõescelulares normais ou interações aleatórias com o am-biente. Essas são denominadas mutações espontâ-neas; a sua taxa de ocorrência é característica deum determinado organismo, sendo algumas vezesdenominada nível basal. As mutações são eventosraros e, obviamente, aquelas que causam danos emum gene são selecionadas negativamente durante aevolução. Assim, é difícil obter-se grandes núme-ros de mutantes espontâneos para um estudo, apartir de populações naturais.

A ocorrência de mutações pode ser aumentadapelo tratamento com determinados compostos.Estes são chamados de compostos mutagênicos, eas modificações que causam são referidas comomutações induzidas. A maioria dos compostos mu-tagênicos atua diretamente devido a sua capacidadede modificar uma determinada base do DNA, ou deincorporar-se ao ácido nucléico. A eficiência de umcomposto mutagênico é avaliada pelo aumento da taxade mutações em relação aos níveis basais. A partir douso de compostos mutagênicos, tornou-se possível aindução de muitas modificações em qualquer gene.

Mutações espontâneas que inativam a funçãogênica ocorrem em bacteriófagos e bactérias em umataxa relativamente constante de 3-4 x 10-3 por ge-noma, por geração. Dada a grande variação no ta-manho dos genomas entre bacteriófagos e bacté-rias, essa taxa corresponde a grandes diferenças nataxa de mutação por par de bases. Isso sugere que ataxa global de mutações esteve sujeita a forças sele-tivas que equilibraram os efeitos deletérios da maio-ria das mutações e os efeitos vantajosos de algumasmutações. Essa conclusão é reforçada pela observa-ção de que um microrganismo do domínio Archaea,que habita ambientes em condições extremas detemperatura e acidez (condições que normalmentedanificariam o DNA), não apresenta uma taxa ele-vada de mutação e, de fato, tem uma taxa um pou-co abaixo da taxa média.

A FIGURA 1.22 mostra que a taxa de mutações embactérias corresponde a cerca de 10-6 eventos por ló-cus, por geração, ou a uma taxa média de 10-9 a 10-10

de modificação por par de bases, por geração. A taxa

em pares de bases individuais varia amplamente, emuma escala de 10.000 vezes. Não temos medidas pre-cisas da taxa de mutação em eucariotos, apesar de, emgeral, considerarmos que é similar àquela encontradaem bactérias por lócus, por geração.

1.12 As Mutações Podem AfetarPares de Bases Únicos ouSeqüências mais Longas

Conceitos Essenciais• Uma mutação pontual altera um único par de bases.• Mutações pontuais podem ser causadas pela conversão

química de uma base em outra, ou por erros que ocor-rem durante a replicação.

• Uma transição substitui um par de bases G-C por umpar de bases A-T, ou vice-versa.

• Uma transversão substitui uma purina por uma pirimi-dina, tal como a modificação A-T em T-A.

• Inserções são o tipo mais comum de mutação e resul-tam da movimentação de elementos de transposição.

Qualquer par de bases de DNA pode ser mutado. Umamutação pontual modifica apenas um único parde bases e pode ser causada por qualquer um dosdois tipos de eventos:

• Modificações químicas do DNA provocamdiretamente a troca de uma base por outradiferente.

• Um mau funcionamento durante a replica-ção do DNA promove a inserção de uma

base errada em uma cadeia polinucleotídicadurante a síntese do DNA.

Mutações pontuais podem ser classificadas emdois tipos, dependendo da natureza da modifica-ção quando uma base é substituída por outra:

• A classe mais comum é a transição, que cor-responde à substituição de uma pirimidina poroutra, ou de uma purina por outra. Isso trocaum par G-C por um par A-T, ou vice-versa.

• A classe menos comum é a transversão, naqual uma purina é trocada por uma pirimi-dina, ou vice-versa. Assim, um par A-T setorna um par T-A ou C-G.

Os efeitos do ácido nitroso são um exemplo clás-sico de uma transição causada pela conversão quí-mica de uma base em outra. A FIGURA 1.23 mostraque o ácido nitroso realiza uma desaminação oxi-dativa que converte a citosina em uracila. No ciclode replicação após a transição, U pareia com um A,ao invés do G, que pareava com o C original. Des-sa forma, o par C-G é substituído por um par T-A,quando A parear com T no próximo ciclo de replica-ção. (O ácido nitroso também desamina a adenina,causando uma transição reversa de A-T para G-C.)

Transições também podem ser causadas pelo pa-reamento incorreto de bases, quando membros pou-co comuns se pareiam, desobedecendo às restriçõesusuais dos pares de Watson-Crick. O pareamento in-correto geralmente é uma aberração resultante da in-corporação de uma base anormal com propriedadesambíguas de pareamento no DNA. A FIGURA 1.24

H

H

N

O

N

N H

H

N

N

O

H

H

N

H

H

N

N Qualquer par de bases1 em 109–1010

gerações

....A T C G G A C T T A C C G G T T A....

....T A G C C T G A A T G G C C A A T....

Qualquer gene1 em 105–106

gerações

O genoma1 em 300 gerações

Taxa de mutação

As taxas de mutação aumentamcom o tamanho do alvo

FIGURA 1.22 Um par de bases é mutado com uma taxa de10-9–10-10 por geração, um gene de 1.000 pares de bases émutado a ~10-6 por geração, e o genoma bacteriano é mutadoa 3 x 10-3 por geração.

FIGURA 1.23 Mutações podem ser induzidas por modificaçãoquímica em uma base.

C

G

O ácido nitroso desamina a citosina, convertendo-a em uracila

URACILAU

AC

G

U

G

mutante

tipo selvagem

Ácido nitroso

H

H

O

N N

N CITOSINA

O

O

N N H

Replicação

1.12 AS MUTAÇÕES PODEM AFETAR PARES DE BASES ÚNICOS OU SEQÜÊNCIAS MAIS LONGAS 15


ilustra o exemplo da bromouracila (BrdU), um aná-logo de timina que contém um átomo de bromono lugar do grupo metil da timina. A BrdU é in-corporada no DNA no lugar da timina. Entretan-to, essa base apresenta propriedades ambíguas depareamento, devido à presença do átomo de bro-mo que permite a ocorrência de uma mudança naqual a base altera sua estrutura de um grupo ceto(=O) para uma forma enol (-OH). A forma enolpode parear com guanina, o que leva à substituiçãodo par original A-T por um par G-C.

O pareamento incorreto pode ocorrer tanto du-rante a incorporação original da base ou no ciclode replicação subseqüente. A transição é induzidacom uma certa probabilidade a cada ciclo replicati-vo; por isso, a incorporação de BrdU tem efeitoscontinuados na seqüência de DNA.

As mutações pontuais foram consideradas du-rante um longo tempo como a principal forma demodificação de genes individuais. No entanto, sa-bemos que as inserções de segmentos de materialadicional são bastante freqüentes. A fonte de mate-rial inserido normalmente corresponde a elemen-tos transponíveis, que são seqüências de DNA ca-pazes de se mover de um sítio para o outro (VerCapítulo 21, Transposons, e Capítulo 22, Retroví-rus e Retrotransposons). Uma inserção geralmenteabole a atividade de um gene. Quando tais inser-ções ocorrem, deleções de parte ou de todo o ma-terial inserido, e algumas vezes de regiões adjacen-tes, podem ocorrer subseqüentemente.

Uma diferença significativa entre mutações pon-tuais e inserções/deleções é que a freqüência de mu-tações pontuais pode ser aumentada por compos-tos mutagênicos, e a ocorrência de modificaçõescausadas por elementos transponíveis não é afeta-da. No entanto, inserções e deleções podem tam-bém ocorrer por outros mecanismos – por exem-plo, aqueles envolvendo erros durante replicaçãoou recombinação –, apesar de, provavelmente, se-rem menos comuns. Além destes, uma classe decompostos mutagênicos denominados acridinas in-troduz inserções e deleções (muito pequenas).

1.13 Os Efeitos das Mutações PodemSer Revertidos

Conceitos Essenciais• As mutações diretas inativam um gene, e as mutações

reversas (ou revertentes) revertem seus efeitos.• As inserções podem ser revertidas pela deleção do mate-

rial inserido, ao passo que as deleções não são revertidas.• A supressão ocorre quando uma mutação em um segun-

do gene anula o efeito da mutação do primeiro gene.

A FIGURA 1.25 mostra que o isolamento de rever-tentes é uma característica importante que distin-gue as mutações pontuais e inserções das deleções:

• Uma mutação pontual pode ser revertidapela restauração da seqüência original oupelo ganho de uma mutação compensatóriaem outro local do gene.

• Uma inserção de material adicional pode serrevertida pela deleção do material inserido.

• Uma deleção de parte de um gene não podeser revertida.

Mutações que inativam um gene são denomi-nadas mutações diretas. Seus efeitos são revertidospor mutações reversas, que são dois tipos: rever-sões verdadeiras ou reversões de segundo sítio.

FIGURA 1.24 Mutações podem ser induzidas pela incorporação deanálogos de bases no DNA.

N N C

C

C

HC

H

Açúcar

Br

N N C

C

C

HC OH

Açúcar

Br

N N C

C

C

HC

C N

N C N

CH N C C

H

H

H

H N

Açúcar

Açúcar

Br

A mudança de ceto para enol permite a BrdU parear com G

Mudança ceto-enolO

O O

O

O

O

Par BrdU-G

BrdU pareia-se com Gna replicação

HC

HC

N

N

N

N

N

N

CH

CH

N

N

C

C

C

C

N

N

N

N

C

C

C

C

C

C

HC

HC

H

H

N

N

H

H

H

H

Açúcar

Açúcar

Açúcar

Açúcar

Br

C

C

O

O

O

O

Par BrdU-A

Par T-A

CH3

BrdU pareia-se com Ana replicação

BrdU provoca a troca do par A-T por um G-C

Uma reversão exata da mutação original é cha-mada de reversão verdadeira. Assim, se um par A-T foi substituído por um par G-C, uma outra mu-tação que restaure o par A-T irá regenerar exata-mente a seqüência selvagem.

O segundo tipo de mutação reversa – a rever-são de segundo sítio – pode ocorrer em outro localno gene e seu efeito compensa a primeira mutação.Por exemplo, uma modificação de um aminoácidoem uma proteína pode abolir a função de um gene,mas uma segunda alteração pode compensar a pri-meira e restaurar a atividade da proteína.

Uma mutação direta resulta de qualquer mu-dança que inative um gene; uma mutação rever-sa deve restaurar a função de uma proteína dani-ficada por uma mutação direta em particular. Ataxa de mutação reversa é correspondentementeinferior à de mutação direta, tipicamente na or-dem de ~10.

Mutações também podem ocorrer em outros ge-nes, de modo a contornar os efeitos da mutação nogene original. Esse efeito é denominado supressão.Um lócus no qual uma mutação suprime o efeitode uma mutação em outro lócus é chamado de su-pressor.

1.14 As Mutações São Concentradasem Hotspots

Conceitos Essenciais• A freqüência de uma mutação em qualquer par de bases

é determinada por uma flutuação estatística, excetonos hotspots (“sítios quentes”), onde a freqüência éaumentada em pelo menos uma ordem de grandeza.

Até agora lidamos com mutações em relação àsmudanças individuais na seqüência do DNA queinfluenciam a atividade da unidade genética na qualestas ocorrem. Quando consideramos as mutaçõesno que tange à inativação do gene, a maioria dosgenes de uma espécie revela taxas mais ou menossimilares de mutação em relação ao seu tamanho.Isso sugere que o gene pode ser considerado comoum alvo de mutação, e que danos em qualquer par-te de um gene podem abolir sua função. Como re-sultado, a suscetibilidade à mutação é aproximada-mente proporcional ao tamanho do gene. Ao con-siderarmos os sítios de mutações no interior da se-qüência de DNA: todos os pares de bases em umgene são igualmente suscetíveis, ou existem algunsmais prováveis de serem mutados que outros?

O que acontece quando isolamos um grandenúmero de mutações independentes em um mes-mo gene? Muitos mutantes são obtidos. Cada um éresultado de um evento mutacional individual.Então, o sítio de cada mutação é determinado. Amaioria das mutações ocorrerá em sítios diferentes,mas algumas ocorrerão na mesma posição. Duasmutações independentemente isoladas em um mes-mo sítio podem corresponder exatamente à mesmaalteração no DNA (neste caso, o mesmo evento mu-tacional ocorreu em mais de uma ocasião), ou po-dem corresponder a modificações diferentes (trêsmutações pontuais diferentes são possíveis para cadapar de bases).

O histograma da FIGURA 1.26 revela a freqüên-cia com a qual mutações são encontradas em cadapar de bases do gene lacI de E. coli. A probabilida-de estatística de mais de uma mutação ocorrer emum sítio particular é dada pela cinética de acerto alea-tório (como observado na distribuição de Poisson).Assim, alguns sítios apresentarão uma, duas ou trêsmutações, e outros, nenhuma. Alguns sítios apre-

FIGURA 1.25 Mutações pontuais e inserções podem ser rever-tidas, mas deleções não são revertidas.

Mutaçõespontuais

Reversão

Inserção

Reversão pordeleção

ATCGGACGGTTA TAGCCTGCCAAT

Nenhuma reversão é possível

Algumas mutações podem ser revertidas

ATCGGACTTACCGGTTA TAGCCTGAATGGCCAAT


ATCGGACTTXXXXXACCGGTTA TAGCCTGAAYYYYYTGGCCAAT


ATCGGAC0ACCGGTTA TAGCCTGAGTGGCCAAT



1.14 AS MUTAÇÕES SÃO CONCENTRADAS EM HOTSPOTS 17


sentam números muito maiores de mutações que oesperado para uma distribuição aleatória; tais sítiosapresentam 10 ou mesmo 100 vezes mais muta-ções que o predito para acertos casuais. Esses sítiossão chamados de sítios quentes (do inglês: hotspots).Mutações espontâneas podem ocorrer em hotspotse diferentes agentes mutagênicos atuar sobre dife-rentes hotspots.

1.15 Muitos Hotspots Resultam deBases Modificadas

Conceitos Essenciais• Uma causa comum de ocorrência de hotspots é a pre-

sença da base modificada 5-metilcitosina, que é es-pontaneamente desaminada, originando timina.

Uma das principais causas de mutação espontâneaé decorrente da presença de bases incomuns noDNA. Além das quatro bases inseridas no DNAquando este é sintetizado, bases modificadas sãoalgumas vezes encontradas. Este nome reflete suaorigem; estas são produzidas pela modificação quí-mica de uma das quatro bases já presentes no DNA.A base modificada mais comum é a 5-metilcitosi-na, a qual é gerada por uma enzima metilase queadiciona um grupo metil a certos resíduos de cito-sina, em sítios específicos no DNA.

Os sítios que contêm 5-metilcitosina correspon-dem a hotspots de mutações pontuais espontâneasem E. coli. Em cada caso, a mutação assume a for-ma de uma transição de G-C para A-T. Os hotspotsnão são encontrados em linhagens de E coli inca-pazes de metilar a citosina.

A razão para a existência de hotspots deve-se aofato de as bases citosinas sofrerem desaminação es-pontânea com uma freqüência considerável. Nessa

reação, o grupamento amino é substituído por umgrupo ceto. Lembre-se de que a desaminação deuma citosina gera uracila (ver Figura 1.23). A FI-GURA 1.27 compara essa reação com a desaminaçãoda 5-metilcitosina, onde a desaminação gera umatimina. O efeito no DNA é a geração de pares debases G-U e G-T, respectivamente, promovendo opareamento incorreto entre os parceiros.

Todos os organismos possuem sistemas de re-paro que corrigem os pareamentos incorretos debases por meio da remoção e da substituição de umadas bases. A atuação desses sistemas determina seos pares incorretos, tais como G-U e G-T, resulta-rão em mutações.

A FIGURA 1.28 mostra que as conseqüências dadesaminação são diferentes para 5-metilcitosina ecitosina. A desaminação da (rara) 5-metilcitosinaprovoca uma mutação, ao passo que a desaminaçãoda citosina, que é mais comum, não tem esse efei-to. Isso acontece porque os sistemas de reparo sãomuito mais eficientes no reconhecimento de G-Uque de G-T.

E. coli contém uma enzima, uracila-DNA-gli-cosidase, que remove resíduos de uracila do DNA(ver Seção 20.5, A Inversão de Bases É Utilizadapor Metilases e Glicosilases). Essa atividade deixaum resíduo de G não-pareado, e então um “siste-ma de reparo” insere uma base C, a qual se torna oseu par. O resultado líquido dessas reações é a res-tauração da seqüência original de DNA. Esse siste-ma protege o DNA contra as conseqüências da de-saminação espontânea da citosina. (Esse sistema nãoé, no entanto, ativo o suficiente para impedir osefeitos do nível aumentado de desaminação provo-cado pelo ácido nitroso; ver Figura 1.23.)

Observe que a desaminação da 5-metilcitosinaorigina timina. Este processo cria um par de basesincorreto, G-T. Se o erro não for corrigido antes

50 100 150 200 250 300 pb

Núm

ero

de m

utaç

ões

Distância ao longo do gene

Um hotspot tem um aumento de> 10 vezes em mutações

10

20

30

40

Uracila

H

H

O

N N

N

Citosina

O

O

N N H

Timina

H

H

O

N N

N

5-metilci-tosina

O

O

N N H

A desaminação espontânea altera uma base

CH3

CH3

FIGURA 1.26 Mutações espontâneas ocorrem ao longo do genelacI de E. coli, mas estão concentradas em um hotspot.

FIGURA 1.27 A desaminação da citosina produz uracila, e adesaminação da 5-metilcitosina produz timina.

do próximo ciclo de replicação, ocorrerá uma mu-tação. Na replicação seguinte, as bases incorretasdo par G-T serão separadas e formarão pares comnovas bases, produzindo um par G-C selvagem eum par mutante A-T.

A desaminação da 5-metilcitosina é a causa maiscomum de formação de pares G-T incorretos noDNA. Sistemas de reparo que atuam em erros dotipo G-T tendem a repor o T por um C (ao invésda reposição alternativa de repor o G por um A), oque ajuda a reduzir a taxa de mutação (ver Seção20.7, O Controle da Direção do Reparo de Parea-mentos Incorretos). No entanto, esses sistemas nãosão tão efetivos quanto a remoção do U do par G-U incorreto. Assim, a desaminação da 5-metilcito-sina promove mutações com muito mais freqüên-cia que a desaminação da citosina.

A 5-metilcitosina também cria hotspots no DNAeucariótico. Isto é comum em dinucleotídeos CpGque estão concentrados em regiões denominadasilhas CpG (ver Seção 24.19, Ilhas CpG São AlvosRegulatórios). Embora a 5-metilcitosina correspon-da a apenas cerca de 1% das bases do DNA huma-no, sítios contendo esta base modificada são res-ponsáveis por ~30% de todas as mutações pontuais.

Isso torna o estado de 5-metilcitosina um determi-nante particularmente importante de mutações emcélulas animais.

A importância dos sistemas de reparo na redu-ção da taxa de mutações é enfatizada pelos efeitosdecorrentes da eliminação da enzima MBD4 decamundongo, uma glicosilase que remove T (ou U)de pares formados incorretamente com G. O resul-tado é o aumento, com um fator de 3×, da taxa demutação nos sítios CpG. (Esse efeito não é aindamaior porque MBD4 é apenas um dos vários siste-mas que atuam em pares incorretos G-T; podemosimaginar que a eliminação de todos os sistemasaumentaria muito mais a taxa de mutações.)

A atuação desses sistemas traz uma luz interes-sante em relação ao uso de T no DNA comparadoao uso de U no RNA. Talvez essa propriedade este-ja relacionada à necessidade de estabilidade da se-qüência no caso do DNA; o uso de T implica quequaisquer desaminações em C são imediatamentereconhecidas, pois geram uma base (U), a qual emgeral não está presente no DNA. Isso aumenta mui-to a eficiência com a qual os sistemas de reparo po-dem atuar (se comparado à situação onde estes de-vem reconhecer erros G-T, os quais podem ser pro-duzidos também por situações onde a remoção doT não seria a resposta adequada). Além disso, a li-gação fosfodiéster do esqueleto é mais lábil quandoa base é U.

1.16 Alguns Agentes HereditáriosSão extremamente Pequenos

Conceitos Essenciais• Alguns agentes hereditários muito pequenos não codi-

ficam proteínas e consistem em RNA ou proteína compropriedades hereditárias.

Viróides são agentes infecciosos que causam doen-ças em plantas superiores. Estes correspondem a mo-léculas muito pequenas e circulares de RNA. Dife-rentemente dos vírus – para os quais os agentes in-fecciosos correspondem a um vírion, um genomaencapsulado em um envoltório protéico –, o RNAdo viróide é, ele mesmo, o agente infeccioso. O viróideconsiste somente em RNA, que exibe um extenso,porém imperfeito, pareamento de bases, e assumeuma forma de bastão característica, como mostra-do na FIGURA 1.29. Mutações que interferem coma estrutura de bastão reduzem a sua infectividade.

Um RNA de viróide consiste em uma única es-pécie molecular, a qual é replicada de forma autô-noma nas células infectadas. Sua seqüência é preci-samente perpetuada em seus descendentes. Virói-

U

A remoção da uracila impede mutações

C Me

Desaminação oxidativa

G

A uracila é removida

Me-C é substituída por T

T pareia com A

A citosina é inserida

T

T C

C C

G A

e

Não há mutação

C

G

T

Mutação

Replicação

G G

G G

G G

C T

G G

C é substituída por U

FIGURA 1.28 A desaminação da 5-metilcitosina produz timina(por transição C-G para T-A); a desaminação da citosina produzuracila (que normalmente é removida e então é substituída porcitosina).

1.16 ALGUNS AGENTES HEREDITÁRIOS SÃO EXTREMAMENTE PEQUENOS 19


des são classificados em diferentes grupos. Um de-terminado viróide é identificado como membro deum grupo devido à similaridade da sua seqüênciacom a seqüência de outros membros do grupo. Porexemplo, quatro viróides relacionados ao PSTV(viróide do Tubérculo Afilado de Batata, do inglêspotato spindle tuber viroid) apresentam de 70 a 83%de similaridade de seqüência com PSTV. Diferen-tes isolados de uma mesma linhagem de viróidevariam entre si, e a modificação pode afetar o fenó-tipo das células infectadas. Por exemplo, as linha-gens suave e severa de PSTV diferem em três substi-tuições de nucleotídeos.

Os viróides se assemelham aos vírus por possuí-rem genomas de ácidos nucléicos herdáveis. Assim,preenchem os critérios em relação à informação gené-tica. Entretanto, os viróides, que por vezes são cha-mados de patógenos subvirais, diferenciam-se dos ví-rus tanto na estrutura quanto na função. O RNA doviróide parece não ser traduzido em proteínas e, destaforma, não é capaz de codificar as funções necessáriasà sua sobrevivência. Essa situação leva a duas ques-tões: como o RNA do viróide é replicado e como oviróide afeta o fenótipo da célula vegetal infectada?

A replicação deve ser realizada pelas enzimas dacélula hospedeira, subvertidas de suas funções nor-mais. A natureza herdável da seqüência do viróideindica que o RNA do viróide atua como molde.

Os viróides são presumivelmente patogênicosporque interferem com os processos celulares nor-mais. Esta ação é realizada de forma relativamentealeatória, por exemplo, seqüestrando uma enzimaessencial para a sua própria replicação, ou interferin-do com a produção de RNAs celulares necessários.Alternativamente, os viróides podem se comportarcomo moléculas regulatórias anormais, exercendo efei-tos particulares na expressão de genes individuais.

Um agente ainda mais incomum é o scrapie – ocausador de uma doença neurológica degenerativa

em ovelhas e cabras. A doença está relacionada àsdoenças humanas kuru e síndrome de Creutzfeldt-Jacob, que afetam a função cerebral.

O agente infeccioso do scrapie não contém ácidonucléico. Esse extraordinário agente é chamado depríon (agente infeccioso proteináceo). Este corres-ponde a uma glicoproteína hidrofóbica de 28 kDa,PrP. PrP é codificada por um gene celular (conser-vado nos mamíferos) que é expresso no cérebro nor-mal. A proteína é encontrada sob duas formas: oproduto encontrado no cérebro normal é denomi-nado PrPc e é totalmente degradado por proteases.A proteína encontrada em cérebros infectados édenominada PrPsc e é extremamente resistente àdegradação por proteases. PrPc é convertida em PrPsc

por uma modificação ou alteração conformacionalque confere resistência a proteases, a qual ainda nãoestá completamente definida.

O agente do scrapie, PrPsc deve, de algum forma,modificar a síntese do seu equivalente celular normal,tornando-o infeccioso, ao invés de inócuo (ver Seção31.12, Príons Causam Doenças em Mamíferos). Ca-mundongos que não possuem o gene PrP não são in-fectados e não desenvolvem scrapie, demonstrando quePrP é essencial ao desenvolvimento da doença.

1.17 Resumo

Dois experimentos clássicos provaram que oDNA é o material genético. O DNA isolado deuma linhagem das bactérias pneumococos conferiupropriedades dessa linhagem em outra linhagem.Além disso, o DNA é o único componente que éherdado pela progênie de fagos a partir dos fagosparentais. O DNA pode ser usado para transfectarnovas propriedades em células eucarióticas.

O DNA é uma dupla hélice, consistindo emfitas antiparalelas nas quais as unidades de nucleo-

C U

G

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G

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359

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PSTV severo

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1 30

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60

270

90

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120 150

210 180

PSTV suave

U C

Os genomas de viróides são de RNA

+U A U

AA U

FIGURA 1.29 O RNA de PSTV é uma molécula circular que forma uma extensa estrutura em dupla fita, interrompida por muitasalças internas. As formas severa e suave diferem em três sítios.

tídeos são unidas por ligações fosfodiéster 5´-3´. Oesqueleto corresponde à porção externa; bases depurinas ou de pirimidinas encontram-se empilha-das no interior aos pares, nos quais A é comple-mentar a T e G é complementar a C. As fitas sepa-ram-se e usam o pareamento de bases complemen-tares para originar fitas filhas em uma replicaçãosemiconservativa. O pareamento de bases comple-mentares é também utilizado para transcrever umRNA representando uma das fitas do duplex deDNA.

Um segmento de DNA pode codificar uma pro-teína. O código genético descreve a relação entre aseqüência de DNA e a seqüência da proteína. Ape-nas uma das duas fitas do DNA codifica a proteí-na. Um códon consiste em três nucleotídeos querepresentam um único aminoácido. Uma seqüên-cia codificadora de DNA consiste em uma série decódons, os quais são lidos a partir de um ponto deiniciação fixo. Normalmente, apenas uma das trêspossíveis fases de leitura é traduzida em proteína.

Uma mutação é uma mudança na seqüência dospares de bases A-T e G-C no DNA. Uma mutaçãoem uma seqüência codificadora pode modificar aseqüência de aminoácidos na proteína correspon-dente. Uma mudança de alteração de fase modificaa fase de leitura subseqüente pela inserção ou dele-ção de uma base; isso gera a codificação de umasérie inteiramente nova de aminoácidos após o sí-tio da mutação. Uma mutação pontual modificaapenas o aminoácido representado pelo códon ondea mutação ocorre. As mutações pontuais podem serrevertidas por mutações reversas da mutação origi-nal. Inserções podem ser revertidas pela perda domaterial inserido, e as deleções não são revertidas.Mutações podem ser também suprimidas indireta-mente, quando uma mutação em um gene diferen-te compensa o defeito original.

A incidência natural de mutações é aumentada porcompostos mutagênicos. Mutações podem ser con-centradas em hotspots. Um tipo de hotspot responsávelpor algumas mutações pontuais é provocado pela de-saminação da base modificada 5-metilcitosina.

Mutações ocorrem em uma taxa de ~10-6 por ló-cus, por geração; as mutações reversas são mais raras.Nem todas as mutações têm efeitos no fenótipo.

Apesar de toda a informação genética das célu-las ser carreada pelo DNA, vírus apresentam geno-mas de fita dupla ou fita simples de DNA ou RNA.Viróides são patógenos subvirais que consistemapenas em pequenas moléculas circulares de RNA,desprovidas de envoltório protetor. O RNA não co-difica proteínas e o seu modo de perpetuação e depatogênese é desconhecido. O scrapie consiste emum agente infeccioso proteináceo.

Referências

1.1 Introdução

Revisões

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Olby, R. (1974). The Path to the Double Helix. MacMillan,London.

1.2 O DNA É o Material Genético das Bactérias

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Griffith, F. (1928). The significance of pneumococcal types.J. Hyg. 27, 113-159.

1.3 O DNA É o Material Genético dos Vírus

Artigo de pesquisa

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1.4 O DNA É o Material Genético dasCélulas Animais

Artigo de pesquisa

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1.6 O DNA É uma Dupla Hélice

Artigos de pesquisa

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1.7 A Replicação do DNA É Semiconservativa

Revisão

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Artigo de pesquisa

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REFERÊNCIAS 21


1.11 As Mutações Modificam a Seqüênciado DNA

Revisões

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1.12 As Mutações Podem Afetar Pares deBases Únicos ou Seqüências maisLongas

Revisão

Maki, H. (2002). Origins of spontaneous mutations: spe-cificity and directionality of base-substitution, fra-meshift, and sequence-substitution mutageneses. Annu.Rev. Genet. 36, 279-303.

1.15 Muitos Hotspots Resultam de BasesModificadas

Artigos de pesquisa

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1.16 Alguns Agentes Hereditários Sãoextremamente Pequenos

Revisões

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OS GENES SÃO DNA