A fim de desenvolver uma vacina contra a pneumonia, o médico Frederick Griffith estudava duas cepas (variedades) da bactéria que causa a doença em mamíferos. As bactérias de uma das cepas possuíam cápsulas que as protegiam do sistema imune do animal, sendo, portanto, patogênicas (causadoras da doença). As bactérias da outra cepa não possuíam cápsulas e, portanto, eram não patogênicas (inofensivas). Ao matar as bactérias patogênicas e misturá-las com bactérias vivas não patogênicas, algumas destas se tornavam patogênicas. Como a patogenicidade era herdada por todos os descendentes das bactérias transformadas, elas não estavam simplesmente usando as cápsulas das bactérias mortas, e sim, produzindo suas próprias cápsulas. Griffith concluiu que algum componente químico das células patogênicas mortas causava uma alteração hereditária nas células não patogênicas, fazendo com que elas passassem a produzir cápsulas. Trabalhos posteriores identificaram o DNA como o responsável pela alteração.
Contudo, muitos especialistas ainda consideravam as proteínas como as melhores candidatas para o papel de material genético. Alfred Hershey e Martha Chase realizaram experimentos com fagos T2, vírus que infectam bactérias para reproduzir. Eles são formados por DNA e um envoltório protetor composto por proteínas. Um deles seria o responsável por entrar na célula e reprogramá-la para que ela produzisse vírus. Em um cultivo, Hershey e Chase incorporaram isótopos radioativos de enxofre às proteínas dos fagos. Em outro cultivo, eles incorporaram isótopos radioativos de fósforo ao DNA. Eles observaram que quando as proteínas foram marcadas, a radioatividade se manteve fora da célula. Entretanto, quando o DNA foi marcado, a radioatividade foi observada no interior das células, indicando que o DNA dos fagos entrou nas células. Hershey e Chase concluíram que o DNA era responsável por fazer as células produzirem vírus.
Erwin Chargaff observou que a composição das bases nitrogenadas do DNA varia de um organismo para o outro, indicando a diversidade molecular que muitos cientistas presumiam ausente no DNA. Ele também observou que, em cada organismo, o número de adeninas e timinas era o mesmo, assim como o número de guaninas e citosinas era o mesmo.
Assim que a maior parte dos biólogos se convenceu de que o DNA era o material genético, o desafio passou a ser determinar como sua estrutura permitia a transmissão das informações hereditárias. Durante sua ida à Universidade de Cambridge, James Watson viu as imagens da cristalografia por difração por raios X do DNA feita por Rosalind Franklin e concluiu que o DNA era formado por duas cadeias antiparalelas dispostas em estrutura helicoidal. Franklin também concluíra que a cadeia principal açúcar-fosfato estava localizada na parte externa da molécula de DNA. Logo, as bases nitrogenadas estavam no interior da molécula, o que fazia sentido, visto que são hidrofóbicas e, assim, ficariam longe da solução aquosa do meio.
Watson imaginara que as bases formassem pares por semelhança (adenina com adenina, por exemplo). Contudo, adenina e guanina são purinas, bases nitrogenadas com dois anéis orgânicos, enquanto citosina e timina são pirimidinas, que possuem apenas um anel. Portanto, as purinas têm aproximadamente o dobro da largura das pirimidinas. De acordo com a cristalografia de Franklin, a dupla-hélice possuía diâmetro uniforme, o que sugeria que os pareamentos ocorriam sempre entre purina e pirimidina. Analisando a estrutura das bases, Watson e Crick determinaram que adenina se ligaria a timina por duas ligações de hidrogênio enquanto guanina se ligaria a citosina por três ligações de hidrogênio. O modelo de Watson e Crick considerava as observações feitas por Chargaff, pois para cada adenina há uma timina na fita complementar, e assim por diante.
O fato de o DNA ser formado por fitas complementares faz com que, se uma delas for omitida, sua sequência poderá ser determinada pelas leis de pareamento, ou seja, cada fita armazena a informação necessária para a reconstrução da outra. De acordo com o modelo de Watson e Crick, quando uma célula duplicasse seu material genético, cada fita serviria de molde para a síntese de uma fita complementar, gerando duas moléculas de DNA, cada uma com uma fita parental e uma fita recém-sintetizada, constituindo um modelo de duplicação semiconservativa.
Para determinar o modo como o DNA é duplicado, Matthew Meselson e Franklin Stahl cultivaram bactérias em um meio contendo isótopos pesados de nitrogênio, que foram incorporados ao DNA das bactérias. Em seguida, transferiram as bactérias para um meio contendo um isótopo mais leve de nitrogênio, fazendo com que, a partir daquele momento, todo o DNA fosse sintetizado com esse isótopo. Na primeira replicação, a centrifugação indicou que o DNA continha os dois isótopos de nitrogênio. Na segunda, a centrifugação indicou que havia DNA apenas com o isótopo leve e DNA com os dois isótopos, confirmando que a replicação do DNA é semiconservativa.
Quando um organismo unicelular se divide, ele está se reproduzindo, pois o processo dá origem a um novo organismo. A divisão celular permite que um eucarioto multicelular se desenvolva a partir de uma única célula, o óvulo fertilizado, e reponha as células mortas. A continuidade da vida se baseia na divisão celular.
Genoma é o conjunto de todas as sequências de bases nitrogenadas de todas as moléculas de DNA de uma célula. Apenas 1% do genoma humano é constituído por genes, ou seja, é expresso em proteínas. Antes da divisão celular, é necessário que o material genético seja duplicado, para que, no final, as células-filhas tenham um genoma completo.
Durante a interfase, a célula realiza suas funções e há um acúmulo de nutrientes, fazendo com que o citoplasma cresça. Durante a fase mitótica, a célula se divide, processo relativamente rápido. Algumas células de organismos multicelulares, como as células nervosas, não podem parar de realizar suas atividades e, portanto, nunca se dividem, ficando sempre na fase G1.
Durante a fase S, ocorre a duplicação semiconservativa do DNA. Esse processo começa com a separação das fitas e o aparecimento de bolhas em regiões específicas denominadas origens de replicação. As helicases desenrolam a dupla-hélice nas forquilhas de replicação. Proteínas de ligação à fita simples se ligam às fitas, evitando que elas se associem novamente. As topoisomerases giram as fitas e refazem suas ligações à frente da forquilha de replicação para aliviar a tensão causada pelo seu desenrolamento. As enzimas que sintetizam o DNA não podem iniciar a síntese de um polinucleotídeo, e sim adicionar nucleotídeos às extremidades de uma cadeia preexistente. Por isso, uma enzima denominada primase produz uma pequena cadeia de RNA utilizando a fita parental como molde. Essa cadeia é chamada de primer. DNA polimerases começam a adicionar nucleotídeos ao primer. Por questões estruturais, essas enzimas só podem adicionar nucleotídeos à extremidade 3' do primer. Assim, quando elas atuam no mesmo sentido da forquilha de replicação mais próxima, só é necessário um primer e a fita de DNA sintetizada é chamada de fita contínua (ou fita-líder). Quando elas atuam no sentido contrário ao da forquilha de replicação mais próxima, é necessário colocar um primer, adicionar nucleotídeos, colocar outro primer e voltar adicionando nucleotídeos, gerando uma fita descontínua (ou fita retardada), cujos fragmentos são chamados de fragmentos de Okazaki. Por fim, a DNA polimerase adiciona DNA no lugar dos primers e uma enzima denominada DNA ligase une o DNA que substitui os primers ao restante da fita. Na verdade, durante o processo de replicação, as enzimas não se deslocam ao longo do DNA, é ele que se move pelo complexo formado por elas.
A replicação do DNA é um processo rápido e preciso. A especificidade do pareamento de bases contribui para a precisão desse processo. Contudo, as DNA polimerases cometem erros ao adicionar nucleotídeos durante a replicação. Além disso, como as moléculas de DNA estão expostas a agentes mutagênicos químicos, como o gás oxigênio, e físicos, como a radiação ultravioleta do Sol, elas sofrem alterações químicas com frequência. Essas alterações geralmente são corrigidas antes de se tornarem permanentes. Uma enzina denominada nuclease remove o segmento de DNA danificado, a DNA polimerase preenche a lacuna com nucleotídeos utilizando a fita não danificada como molde e a DNA ligase une o segmento sintetizado ao restante da fita.
Contudo, algumas alterações não são corrigidas e se perpetuam por meio de sucessivas replicações, sendo chamadas de mutações. Alterações na informação genética de uma célula são as principais fontes de novos genes. Se uma mutação ocorre em um gameta ou em uma célula que origina gametas, ela pode ser transmitida à prole. Se a mutação causar um efeito negativo no fenótipo de um organismo, a condição mutante é referida como doença hereditária. Quanto mais uma célula se divide, maior a chance de ocorrer uma mutação e de se tornar um câncer. Células do tecido epitelial, que se dividem muito, são expostas à radiação ultravioleta do Sol e, por isso, há muitos casos de câncer de pele.
Uma mutação silenciosa ocorre quando um nucleotídeo é substituído por outro e o novo códon é traduzido no mesmo aminoácido graças à redundância do código genético. Essa mutação não afeta o polipeptídeo. Uma mutação de troca de sentido ocorre quando um nucleotídeo é substituído por outro e o novo códon especifica outro aminoácido. As consequências dessa mutação dependem da localização e identidade do novo aminoácido na proteína. A alteração de um aminoácido em uma região importante da proteína, como o sítio ativo de uma enzima, pode afetar sua atividade. Embora essas mutações possam gerar uma proteína aprimorada, elas geralmente geram proteínas inativas ou com atividade reduzida. Uma mutação sem sentido ocorre quando um nucleotídeo é substituído por outro e o novo códon é um códon de término, induzindo ao término prematuro da tradução e, portanto, em um polipeptídeo menor que o normal, geralmente não funcional. A inserção ou deleção de um número de nucleotídeos múltiplo de três faz com que códons sejam adicionados ou removidos, ou seja, aminoácidos são adicionados ou removidos. Uma mutação de fase de leitura ocorre quando o número de nucleotídeos adicionados ou removidos não é múltiplo de três, fazendo com que os núcleotídeos posicionados downstream da inserção ou deleção sejam agrupados incorretamente em códons. A menos que essa mutação ocorra próxima do final do gene, o produto será uma proteína não funcional.
Em cadeias lineares de DNA, as extremidades 5' das fitas-filhas nunca são completadas, pois a DNA polimerase não consegue colocar nucleotídeos nessa extremidade. Mesmo que um primer seja colocado, ao ser removido, não poderá ser substituído por DNA, pois, mais uma vez, não haverá uma uma extremidade 3' disponível. Por isso, ocorre um encurtamento progressivo do DNA. A maioria dos procariotos tem DNA circular e, portanto, o encurtamento do DNA não ocorre. As moléculas de DNA dos eucariotos possuem sequências especiais de nucleotídeos, chamadas de telômeros, em suas extremidades. Em geral, são repetições de uma sequência curta de nucleotídeos e não contêm genes, retardando a perda de genes causada pelo encurtamento do DNA. Os telômeros se tornam mais curtos a cada ciclo de replicação. Células de indivíduos mais velhos tendem a apresentar telômeros muito curtos. O encurtamento normal dos telômeros protege os organismos contra o câncer, pois limita o número de divisões que a célula pode realizar, levando à sua autodestruição antes que ela vire uma célula cancerígena. A telomerase catalisa o alongamento dos telômeros, o que ocorre nas células sexuais eucarióticas, garantindo que os zigotos tenham telômeros de comprimento máximo e que o material genético seja conservado entre gerações. A atividade da telomerase é anormalmente alta nas células cancerígenas, causando a persistência dessas células.
Durante a fase G2, o centrossomo da célula é duplicado, originando dois centrossomos, cada um contendo um par de centríolos, que não são essenciais para a divisão celular. A célula confere o material genético e se prepara para a divisão.
Durante a prófase, os centrossomos se afastam e crescem microtúbulos a partir deles, constituindo uma estrutura denominada fuso acromático. A cromatina se condensa em cromossomos separados, visíveis ao microscópio óptico, a fim de facilitar sua movimentação durante a divisão. Um gene está sempre localizado no mesmo lugar em um cromossomo, denominado locus do gene, indicando que as etapas de empacotamento são altamente específicas e precisas. Cada cromossomo duplicado é formado por duas cromátides-irmãs unidas por complexos proteicos chamados de coesinas. Cada cromátide-irmã possui um centrômero, que é a região em que ela está mais próxima da outra cromátide-irmã. Como a cromatina está muito compactada, não é possível ler o DNA e produzir RNAr e, portanto, o nucléolo desaparece.
Durante a prometáfase, o envelope nuclear se fragmenta e os microtúbulos se ligam à região dos centrômeros dos cromossomos.
Na metáfase, os centrossomos estão em lados opostos da célula. Os microtúbulos alinham os cromossomos na placa equatorial celular.
Durante a anáfase, uma enzima denominada separase cliva as coesinas e as cromátides-irmãs se movem em direções opostas à medida que os microtúbulos encurtam.
Durante a telófase, envelopes nucleares surgem a partir de fragmentos do envelope nuclear da célula parental e de outras porções do sistema de endomembranas. A cromatina se descompacta e, como é possível ler o DNA e produzir RNAr, o nucléolo reaparece.
Após a mitose, ocorre a citocinese, que é a divisão do citoplasma. Em células animais, ocorre uma constrição da membrana plasmática, que se aprofunda até que a célula parental se divida em duas. O processo ocorre de fora para dentro. Em células vegetais, vesículas derivadas do complexo de Golgi se unem formando a placa celular, que aumenta até se fundir à membrana plasmática. O processo ocorre de dentro para fora.
Procariotos se reproduzem por fissão binária, da qual originou a mitose. Nesse processo, o DNA se replica ao mesmo tempo em que a fita-filha se move para a extremidade oposta da célula, que se alonga. A membrana plasmática invagina-se, dividindo a célula.
Organismos que se reproduzem assexuadamente passam cópias de todos os seus genes para os seus descendentes, que, por serem geneticamente idênticos aos progenitores, são chamados de clones. Na reprodução sexuada, os pais dão origem a descendentes com combinações únicas de seus genes, que não são cópias idênticas de seus pais nem de seus irmãos.
Toda espécie viva tem um número de cromossomos característico. Os seres humanos, por exemplo, têm 46 cromossomos em suas células somáticas, ou seja, todas as células do corpo exceto os gametas e seus precursores. Por determinarem o sexo do indivíduo, os cromossomos X e Y são chamados de cromossomos sexuais, enquanto os outros são chamados de cromossomos autossomos. Dois cromossomos são homólogos quando têm o mesmo tamanho, a mesma posição do centrômero e genes que controlam as mesmas características, denominados alelos. A existência de pares de cromossomos homólogos é consequência da origem sexuada do ser humano, pois, de cada um dos pais, ele herda um cromossomo de cada par de homólogos, ou seja, um conjunto de cromossomos. Células com dois conjuntos de cromossomos são chamadas de células diploides. Em uma célula em que ocorreu a duplicação do DNA, todos os cromossomos estão duplicados, mas a célula ainda é diploide, pois tem apenas dois conjuntos de informação.
Em animais e plantas, os gametas transmitem os genes de geração em geração. Se os gametas dos pais fossem produzidos por mitose, eles seriam diploides como as células somáticas e os descentes teriam o dobro do número de cromossomos. A quantidade de cromossomos em uma espécie se mantém constante porque, em organismos que se reproduzem sexuadamente, os gametas são formados por meiose, que gera células com um único conjunto de cromossomos, denominadas células haploides. Essas células não podem sofrer meiose, pois seu número de conjuntos de cromossomos não pode ser mais reduzido.
Muitos dos passos da meiose se assemelham aos passos correspondentes da mitose. Após a duplicação do DNA, há duas divisões celulares consecutivas, denominadas meiose I e meiose II. A meiose I é uma divisão reducional, pois reduz o número de conjuntos de cromossomos de dois para um, ou seja, torna as células haploides. A meiose II é uma divisão equacional, pois não altera o número de conjuntos de cromossomos. Na prófase I, cada cromossomo pareia com seu homólogo, alinhando gene com gene, e ocorre o crossing over. Nesse processo, o DNA das cromátides não irmãs (uma de cada cromossomo do par de homólogos) é quebrado por proteínas. Cada extremidade gerada na quebra se liga à extremidade correspondente da cromátide não irmã, formando um quiasma. Os cromossomos homólogos permanecem ligados porque cada cromátide, que está ligada à sua cromátide irmã, está agora ligada a uma cromátide não irmã (de outro cromossomo). Pelo menos um crossing over deve ocorrer em um par de cromossomos homólogos para que eles se mantenham unidos à medida que se movem para a placa equatorial na metáfase I. O crossing over embaralha o material genético, fazendo com que as cromátides-irmãs deixem de ser geneticamente idênticas. Na anáfase I, ocorre a separação dos cromossomos homólogos, enquanto na anáfase II, ocorre a separação das cromátides-irmãs. A meiose gera quatro células-filhas geneticamente distintas umas das outras e da célula parental. A variação produzida pelo crossing over somada à orientação aleatória dos pares de cromossomos homólogos na metáfase I e das cromátides-irmãs na metáfase II contribuem para que cada membro de uma população sexuada tenha uma combinação única de características.
Nos seres humanos, os gametas se desenvolvem a partir de células das gônadas. Essas células sofrem mitose antes de sofrer meiose para que sobrem outras células das quais serão produzidos gametas futuramente. Na espermatogênese, cada célula dos testículos forma quatro espermatozoides. Na ovulogênese, cada célula dos ovários forma apenas um óvulo, pois as outras três células são degeneradas para que os nutrientes se acumulem apenas em uma, aumentando a chance de fertilização. O ciclo de vida humano se inicia quando o espermatozoide haploide do pai se fusiona com o óvulo haploide da mãe e o fertiliza, gerando um zigoto diploide que, após sucessivas mitoses, se torna uma pessoa desenvolvida.
Erwin Chargaff observou que a composição das bases nitrogenadas do DNA varia de um organismo para o outro, indicando a diversidade molecular que muitos cientistas presumiam ausente no DNA. Ele também observou que, em cada organismo, o número de adeninas e timinas era o mesmo, assim como o número de guaninas e citosinas era o mesmo.
Assim que a maior parte dos biólogos se convenceu de que o DNA era o material genético, o desafio passou a ser determinar como sua estrutura permitia a transmissão das informações hereditárias. Durante sua ida à Universidade de Cambridge, James Watson viu as imagens da cristalografia por difração por raios X do DNA feita por Rosalind Franklin e concluiu que o DNA era formado por duas cadeias antiparalelas dispostas em estrutura helicoidal. Franklin também concluíra que a cadeia principal açúcar-fosfato estava localizada na parte externa da molécula de DNA. Logo, as bases nitrogenadas estavam no interior da molécula, o que fazia sentido, visto que são hidrofóbicas e, assim, ficariam longe da solução aquosa do meio.
Watson imaginara que as bases formassem pares por semelhança (adenina com adenina, por exemplo). Contudo, adenina e guanina são purinas, bases nitrogenadas com dois anéis orgânicos, enquanto citosina e timina são pirimidinas, que possuem apenas um anel. Portanto, as purinas têm aproximadamente o dobro da largura das pirimidinas. De acordo com a cristalografia de Franklin, a dupla-hélice possuía diâmetro uniforme, o que sugeria que os pareamentos ocorriam sempre entre purina e pirimidina. Analisando a estrutura das bases, Watson e Crick determinaram que adenina se ligaria a timina por duas ligações de hidrogênio enquanto guanina se ligaria a citosina por três ligações de hidrogênio. O modelo de Watson e Crick considerava as observações feitas por Chargaff, pois para cada adenina há uma timina na fita complementar, e assim por diante.
O fato de o DNA ser formado por fitas complementares faz com que, se uma delas for omitida, sua sequência poderá ser determinada pelas leis de pareamento, ou seja, cada fita armazena a informação necessária para a reconstrução da outra. De acordo com o modelo de Watson e Crick, quando uma célula duplicasse seu material genético, cada fita serviria de molde para a síntese de uma fita complementar, gerando duas moléculas de DNA, cada uma com uma fita parental e uma fita recém-sintetizada, constituindo um modelo de duplicação semiconservativa.
Para determinar o modo como o DNA é duplicado, Matthew Meselson e Franklin Stahl cultivaram bactérias em um meio contendo isótopos pesados de nitrogênio, que foram incorporados ao DNA das bactérias. Em seguida, transferiram as bactérias para um meio contendo um isótopo mais leve de nitrogênio, fazendo com que, a partir daquele momento, todo o DNA fosse sintetizado com esse isótopo. Na primeira replicação, a centrifugação indicou que o DNA continha os dois isótopos de nitrogênio. Na segunda, a centrifugação indicou que havia DNA apenas com o isótopo leve e DNA com os dois isótopos, confirmando que a replicação do DNA é semiconservativa.
Quando um organismo unicelular se divide, ele está se reproduzindo, pois o processo dá origem a um novo organismo. A divisão celular permite que um eucarioto multicelular se desenvolva a partir de uma única célula, o óvulo fertilizado, e reponha as células mortas. A continuidade da vida se baseia na divisão celular.
Genoma é o conjunto de todas as sequências de bases nitrogenadas de todas as moléculas de DNA de uma célula. Apenas 1% do genoma humano é constituído por genes, ou seja, é expresso em proteínas. Antes da divisão celular, é necessário que o material genético seja duplicado, para que, no final, as células-filhas tenham um genoma completo.
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| O ciclo celular corresponde às etapas da vida de uma célula. Ele se divide em interfase e fase mitótica. A interfase se divide em fase G1, S e fase G2. A fase mitótica se divide em mitose e citocinese. A mitose se divide em prófase, prometáfase, metáfase, anáfase e telófase. |
Durante a fase S, ocorre a duplicação semiconservativa do DNA. Esse processo começa com a separação das fitas e o aparecimento de bolhas em regiões específicas denominadas origens de replicação. As helicases desenrolam a dupla-hélice nas forquilhas de replicação. Proteínas de ligação à fita simples se ligam às fitas, evitando que elas se associem novamente. As topoisomerases giram as fitas e refazem suas ligações à frente da forquilha de replicação para aliviar a tensão causada pelo seu desenrolamento. As enzimas que sintetizam o DNA não podem iniciar a síntese de um polinucleotídeo, e sim adicionar nucleotídeos às extremidades de uma cadeia preexistente. Por isso, uma enzima denominada primase produz uma pequena cadeia de RNA utilizando a fita parental como molde. Essa cadeia é chamada de primer. DNA polimerases começam a adicionar nucleotídeos ao primer. Por questões estruturais, essas enzimas só podem adicionar nucleotídeos à extremidade 3' do primer. Assim, quando elas atuam no mesmo sentido da forquilha de replicação mais próxima, só é necessário um primer e a fita de DNA sintetizada é chamada de fita contínua (ou fita-líder). Quando elas atuam no sentido contrário ao da forquilha de replicação mais próxima, é necessário colocar um primer, adicionar nucleotídeos, colocar outro primer e voltar adicionando nucleotídeos, gerando uma fita descontínua (ou fita retardada), cujos fragmentos são chamados de fragmentos de Okazaki. Por fim, a DNA polimerase adiciona DNA no lugar dos primers e uma enzima denominada DNA ligase une o DNA que substitui os primers ao restante da fita. Na verdade, durante o processo de replicação, as enzimas não se deslocam ao longo do DNA, é ele que se move pelo complexo formado por elas.
A replicação do DNA é um processo rápido e preciso. A especificidade do pareamento de bases contribui para a precisão desse processo. Contudo, as DNA polimerases cometem erros ao adicionar nucleotídeos durante a replicação. Além disso, como as moléculas de DNA estão expostas a agentes mutagênicos químicos, como o gás oxigênio, e físicos, como a radiação ultravioleta do Sol, elas sofrem alterações químicas com frequência. Essas alterações geralmente são corrigidas antes de se tornarem permanentes. Uma enzina denominada nuclease remove o segmento de DNA danificado, a DNA polimerase preenche a lacuna com nucleotídeos utilizando a fita não danificada como molde e a DNA ligase une o segmento sintetizado ao restante da fita.
Contudo, algumas alterações não são corrigidas e se perpetuam por meio de sucessivas replicações, sendo chamadas de mutações. Alterações na informação genética de uma célula são as principais fontes de novos genes. Se uma mutação ocorre em um gameta ou em uma célula que origina gametas, ela pode ser transmitida à prole. Se a mutação causar um efeito negativo no fenótipo de um organismo, a condição mutante é referida como doença hereditária. Quanto mais uma célula se divide, maior a chance de ocorrer uma mutação e de se tornar um câncer. Células do tecido epitelial, que se dividem muito, são expostas à radiação ultravioleta do Sol e, por isso, há muitos casos de câncer de pele.
Uma mutação silenciosa ocorre quando um nucleotídeo é substituído por outro e o novo códon é traduzido no mesmo aminoácido graças à redundância do código genético. Essa mutação não afeta o polipeptídeo. Uma mutação de troca de sentido ocorre quando um nucleotídeo é substituído por outro e o novo códon especifica outro aminoácido. As consequências dessa mutação dependem da localização e identidade do novo aminoácido na proteína. A alteração de um aminoácido em uma região importante da proteína, como o sítio ativo de uma enzima, pode afetar sua atividade. Embora essas mutações possam gerar uma proteína aprimorada, elas geralmente geram proteínas inativas ou com atividade reduzida. Uma mutação sem sentido ocorre quando um nucleotídeo é substituído por outro e o novo códon é um códon de término, induzindo ao término prematuro da tradução e, portanto, em um polipeptídeo menor que o normal, geralmente não funcional. A inserção ou deleção de um número de nucleotídeos múltiplo de três faz com que códons sejam adicionados ou removidos, ou seja, aminoácidos são adicionados ou removidos. Uma mutação de fase de leitura ocorre quando o número de nucleotídeos adicionados ou removidos não é múltiplo de três, fazendo com que os núcleotídeos posicionados downstream da inserção ou deleção sejam agrupados incorretamente em códons. A menos que essa mutação ocorra próxima do final do gene, o produto será uma proteína não funcional.
Em cadeias lineares de DNA, as extremidades 5' das fitas-filhas nunca são completadas, pois a DNA polimerase não consegue colocar nucleotídeos nessa extremidade. Mesmo que um primer seja colocado, ao ser removido, não poderá ser substituído por DNA, pois, mais uma vez, não haverá uma uma extremidade 3' disponível. Por isso, ocorre um encurtamento progressivo do DNA. A maioria dos procariotos tem DNA circular e, portanto, o encurtamento do DNA não ocorre. As moléculas de DNA dos eucariotos possuem sequências especiais de nucleotídeos, chamadas de telômeros, em suas extremidades. Em geral, são repetições de uma sequência curta de nucleotídeos e não contêm genes, retardando a perda de genes causada pelo encurtamento do DNA. Os telômeros se tornam mais curtos a cada ciclo de replicação. Células de indivíduos mais velhos tendem a apresentar telômeros muito curtos. O encurtamento normal dos telômeros protege os organismos contra o câncer, pois limita o número de divisões que a célula pode realizar, levando à sua autodestruição antes que ela vire uma célula cancerígena. A telomerase catalisa o alongamento dos telômeros, o que ocorre nas células sexuais eucarióticas, garantindo que os zigotos tenham telômeros de comprimento máximo e que o material genético seja conservado entre gerações. A atividade da telomerase é anormalmente alta nas células cancerígenas, causando a persistência dessas células.
Durante a fase G2, o centrossomo da célula é duplicado, originando dois centrossomos, cada um contendo um par de centríolos, que não são essenciais para a divisão celular. A célula confere o material genético e se prepara para a divisão.
Durante a prófase, os centrossomos se afastam e crescem microtúbulos a partir deles, constituindo uma estrutura denominada fuso acromático. A cromatina se condensa em cromossomos separados, visíveis ao microscópio óptico, a fim de facilitar sua movimentação durante a divisão. Um gene está sempre localizado no mesmo lugar em um cromossomo, denominado locus do gene, indicando que as etapas de empacotamento são altamente específicas e precisas. Cada cromossomo duplicado é formado por duas cromátides-irmãs unidas por complexos proteicos chamados de coesinas. Cada cromátide-irmã possui um centrômero, que é a região em que ela está mais próxima da outra cromátide-irmã. Como a cromatina está muito compactada, não é possível ler o DNA e produzir RNAr e, portanto, o nucléolo desaparece.
Durante a prometáfase, o envelope nuclear se fragmenta e os microtúbulos se ligam à região dos centrômeros dos cromossomos.
Na metáfase, os centrossomos estão em lados opostos da célula. Os microtúbulos alinham os cromossomos na placa equatorial celular.
Durante a anáfase, uma enzima denominada separase cliva as coesinas e as cromátides-irmãs se movem em direções opostas à medida que os microtúbulos encurtam.
Durante a telófase, envelopes nucleares surgem a partir de fragmentos do envelope nuclear da célula parental e de outras porções do sistema de endomembranas. A cromatina se descompacta e, como é possível ler o DNA e produzir RNAr, o nucléolo reaparece.
Após a mitose, ocorre a citocinese, que é a divisão do citoplasma. Em células animais, ocorre uma constrição da membrana plasmática, que se aprofunda até que a célula parental se divida em duas. O processo ocorre de fora para dentro. Em células vegetais, vesículas derivadas do complexo de Golgi se unem formando a placa celular, que aumenta até se fundir à membrana plasmática. O processo ocorre de dentro para fora.
Procariotos se reproduzem por fissão binária, da qual originou a mitose. Nesse processo, o DNA se replica ao mesmo tempo em que a fita-filha se move para a extremidade oposta da célula, que se alonga. A membrana plasmática invagina-se, dividindo a célula.
Organismos que se reproduzem assexuadamente passam cópias de todos os seus genes para os seus descendentes, que, por serem geneticamente idênticos aos progenitores, são chamados de clones. Na reprodução sexuada, os pais dão origem a descendentes com combinações únicas de seus genes, que não são cópias idênticas de seus pais nem de seus irmãos.
Toda espécie viva tem um número de cromossomos característico. Os seres humanos, por exemplo, têm 46 cromossomos em suas células somáticas, ou seja, todas as células do corpo exceto os gametas e seus precursores. Por determinarem o sexo do indivíduo, os cromossomos X e Y são chamados de cromossomos sexuais, enquanto os outros são chamados de cromossomos autossomos. Dois cromossomos são homólogos quando têm o mesmo tamanho, a mesma posição do centrômero e genes que controlam as mesmas características, denominados alelos. A existência de pares de cromossomos homólogos é consequência da origem sexuada do ser humano, pois, de cada um dos pais, ele herda um cromossomo de cada par de homólogos, ou seja, um conjunto de cromossomos. Células com dois conjuntos de cromossomos são chamadas de células diploides. Em uma célula em que ocorreu a duplicação do DNA, todos os cromossomos estão duplicados, mas a célula ainda é diploide, pois tem apenas dois conjuntos de informação.
Em animais e plantas, os gametas transmitem os genes de geração em geração. Se os gametas dos pais fossem produzidos por mitose, eles seriam diploides como as células somáticas e os descentes teriam o dobro do número de cromossomos. A quantidade de cromossomos em uma espécie se mantém constante porque, em organismos que se reproduzem sexuadamente, os gametas são formados por meiose, que gera células com um único conjunto de cromossomos, denominadas células haploides. Essas células não podem sofrer meiose, pois seu número de conjuntos de cromossomos não pode ser mais reduzido.
Muitos dos passos da meiose se assemelham aos passos correspondentes da mitose. Após a duplicação do DNA, há duas divisões celulares consecutivas, denominadas meiose I e meiose II. A meiose I é uma divisão reducional, pois reduz o número de conjuntos de cromossomos de dois para um, ou seja, torna as células haploides. A meiose II é uma divisão equacional, pois não altera o número de conjuntos de cromossomos. Na prófase I, cada cromossomo pareia com seu homólogo, alinhando gene com gene, e ocorre o crossing over. Nesse processo, o DNA das cromátides não irmãs (uma de cada cromossomo do par de homólogos) é quebrado por proteínas. Cada extremidade gerada na quebra se liga à extremidade correspondente da cromátide não irmã, formando um quiasma. Os cromossomos homólogos permanecem ligados porque cada cromátide, que está ligada à sua cromátide irmã, está agora ligada a uma cromátide não irmã (de outro cromossomo). Pelo menos um crossing over deve ocorrer em um par de cromossomos homólogos para que eles se mantenham unidos à medida que se movem para a placa equatorial na metáfase I. O crossing over embaralha o material genético, fazendo com que as cromátides-irmãs deixem de ser geneticamente idênticas. Na anáfase I, ocorre a separação dos cromossomos homólogos, enquanto na anáfase II, ocorre a separação das cromátides-irmãs. A meiose gera quatro células-filhas geneticamente distintas umas das outras e da célula parental. A variação produzida pelo crossing over somada à orientação aleatória dos pares de cromossomos homólogos na metáfase I e das cromátides-irmãs na metáfase II contribuem para que cada membro de uma população sexuada tenha uma combinação única de características.
Nos seres humanos, os gametas se desenvolvem a partir de células das gônadas. Essas células sofrem mitose antes de sofrer meiose para que sobrem outras células das quais serão produzidos gametas futuramente. Na espermatogênese, cada célula dos testículos forma quatro espermatozoides. Na ovulogênese, cada célula dos ovários forma apenas um óvulo, pois as outras três células são degeneradas para que os nutrientes se acumulem apenas em uma, aumentando a chance de fertilização. O ciclo de vida humano se inicia quando o espermatozoide haploide do pai se fusiona com o óvulo haploide da mãe e o fertiliza, gerando um zigoto diploide que, após sucessivas mitoses, se torna uma pessoa desenvolvida.
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