A replicação do DNA é catalisada por enzimas denominadas DNA polimerases. Essas enzimas sintetizam a nova fita de DNA, utilizando como molde ("template") a fita complementar da molécula existente. Para que ocorra a síntese, a molécula de DNA deve ser desnaturada, ou seja, as fitas devem ser separadas pelo rompimento das ligações que mantêm a dupla hélice.
Além da fita molde, é necessário a presença de um iniciador ou "primer", ou seja,um pequeno fragmento de DNA simples fita complementar à fita molde. Nas manipulações in vitro, os iniciadores podem ser criados pela ação de uma dada enzima (RNase H) ou produzidos em máquinas de síntese de oligonucleotídeos e adicionados ao tubo de reação.
O crescimento da cadeia de DNA sempre se faz no sentido 5' para 3', ou seja, um novo nucleotídeo é adicionado à cadeia pela ligação de seu grupo fosfórico, presente no carbono 5' da desoxirribose, com a hidroxila do carbono 3' da desoxirribose do último nucleotídeo presente na cadeia em crescimento. A transcriptase reversa é um tipo de DNA polimerase capaz de sintetizar uma nova fita de DNA utilizando como molde um RNA mensageiro; portanto, trata-se de uma DNA polimerase RNA dependente.
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Watson e Crick propuseram que um dos filamentos de cada molécula
filha de DNA e recém sintetizado, enquanto o outro passado inalterado
vindo da molécula original de DNA. Esta distribuição
de átomos parentais é chamada de semiconservativa.
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Células de E.coli crescidas por várias gerações, num meio onde a única fonte de nitrogênio era cloreto de amônio (NH4Cl) com a substituição do nitrogênio normal (14N ) por nitrogênio "pesado" (15N).
Desta forma, todos os componentes nitrogenados das células que cresceram neste meio, incluindo as bases do DNA, estariam enriquecidos por nitrogênio "pesado". A densidade dos componentes das células crescidas em 15N é maior do que a dos componentes das células crescidas em meio "normal" (14N) , no caso o DNA das células "parentais".
A análise do experimento foi feita por ultra-centrifugação utilizando uma solução concentrada de cloreto de césio.
O cloreto de césio é usado porque sua solução aquosa tem uma gravidade específica próxima a do DNA . Quando esta solução é centrifugada por um longo período de tempo e em alta velocidade, atinge-se um equilíbrio com a formação de um gradiente de densidade contínuo, com a porção mais concentrada no fundo do tubo e a porção menos concentrada no topo.
Os resultados mostraram que as células crescidas em presença
de 14N apresentavam DNA situado no topo do gradiente. A 1ª geração
de bactérias crescidas em 15N mostrou DNA na fase intermediária
do gradiente, indicando a formação de um híbrido de
DNA (14N e 15N), e uma segunda geração, na zona mais densa,
indicando, a formação do DNA 15N.
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Com estas observações concluiu-se que a replicação do DNA é semi-conservativa.