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Unidade 1 Genética Molecular Estrutura do DNA e RNA O DNA e o RNA são ácidos nucléicos formados da ligação de diferentes nucleotídeos. Os nucleotídeos são: 1 açúcar de 5 carbonos (pentoses) 1 grupo fosfato e 1 base nitrogenada (maior variabilidade nos nucleotídeos e permite a formação de diferentes sequências) A ligação de diferentes nucleotídeos em cadeia se dá por ligação fosfodiéster entre: Grupamento fosfato de carbono 5’ (5’-PO4) do primeiro nucleotídeo; Grupamento hidroxílico do carbono 3’ (3’-OH) do nucleotídeo adjacente; Faz com que as cadeias dos ácidos nucléicos sejam direcionais, uma extremidade da cadeia terá um carbono 5’ com um grupamento fosfato livre, enquanto a outra extremidade terá um carbono 3’ com um grupamento hidroxílico livre. Consequências: o DNA e RNA são sintetizados no sentido 5’3’ e o RNA é lido na síntese proteica também no sentido 5’3’, DNA e RNA são sempre representadas na orientação 5’3’ por convenção. DNA: ácido desoxirribonucleico. O DNA é uma macromolécula longa, armazena todo genoma. Sua função é preservar e replicá-lo para que possa ser expresso e transmitido ao longo das gerações. O DNA tem como pentose uma desoxirribose e como bases nitrogenadas de uso a adenina, a guanina, a citosina e a timina. O DNA tem maior estabilidade que o RNA, tanto na função de suas características químicas como em sua estrutura molecular, caracterizado por uma dupla-fita bastante estável, esse modelo propõe duas cadeias distintas de nucleotídeos (fitas) unidas entre si por ligação de hidrogênio. Como consequência, temos propriedades importante respeito dessa estrutura molecular. Pareamento de bases: depende de que cada base nitrogenada de uma das cadeias interaja com a base oposta na outra cadeia, o que é possível em função do pareamento de bases nitrogenadas entre cadeias do DNA, por ligação de hidrogênio. São fortes o suficiente para manter sua estrutura, mas podem ser desnaturadas e renaturadas de acordo com as condições do meio ou presença de proteínas específicas. Pareamento G-C – guaninas pareiam com citosinas, e vice-versa, por meio de 3 ligações de hidrogênio. Pareamento A-T – adeninas pareiam com timinas (ou uracilas no RNA), e vice-versa, por meio de duas ligações de hidrogênio. Fitas antiparalelas: as ligações fosfodiéster das duas fitas de DNA da molécula ocorrem sempre em orientações opostas – uma fita na direção 5’ 3’ e outra na 3’ 5’. Cavidades desiguais: Formam-se uma cavidade menor e uma maior em função de ligações glicosídicas entre as pentoses e as bases nitrogenadas do DNA não estarem diretamente opostas na hélice dupla. Na cavidade maior _, as bases pareadas ficam mais expostas ao ambiente aquoso, o que permite o reconhecimento de sequência no DNA por proteínas, sem necessidade de desnaturar as fitas. RNA: ácido ribonucleico. Tem como pentose uma ribose e como base alternativa a uracila em vez da timina. Mais instável que o DNA. O RNA assumiu a função de expressar a informação genética e não de fazer a manutenção e autorreplicarão desta. Alguns vírus tem RNA como material genético e representam uma exceção ao fluxo de informação genética. Se encontra frequentemente na forma de fita simples, isso possibilita a formação de estruturas complexas, o RNA pode dobrar sobre si para formar pequenas regiões de dupla-hélice. São alvos de extensas e complexas modificações pós-transicionais, as quais variam de acordo com o tipo de RNA. RNA mensageiro (mRNA): resultado da transcrição do DNA. Responsável pela transferência de informação genética do DNA aos ribossomos, onde ocorre síntese de proteínas. Se mantém na forma de fita simples, observa-se também a formação estruturas secundárias por pareamento de bases, intramolecularmente, como com moléculas de RNA. O processamento desses mRNAs também é importante para o papel regulatório. Em eucariotos, denominado splicing de mRNA, remove as sequências de íntrons e une a sequência de exons, dando origem a um mRNA maduro, que é destinado a tradução de proteínas. Em multicelulares, ocorre splicing alternativo de mRNA, onde combinações de mRNAs maduros podem ser formadas a partir de um mesmo pré-mRNA. RNA transportador (tRNA): fundamental para a tradução, transporta os resíduos de aminoácidos até o ribossomo e orienta a sua incorporação à cadeia polipeptídica em formação de acordo com o código genético. Formam estruturas estáveis em forma de trevo, fundamentais para formação de moléculas na tradução: uma extremidade Unidade 1 ligado ao aminoácido, outra ocorre o reconhecimento da sequência do mRNA por pareamento de bases. RNA ribossomal (rRNA): componentes majoritários dos ribossomos, cerca de 80% do total do RNA da célula. Por meio de ligação com proteínas, formam os ribossomos e atuam no reconhecimento de sequências durante a tradução e na catálise da síntese proteica. Replicação e reparo de DNA A partir de uma fita-molde, é possível copiar uma nova fita com sequência de bases complementares. Isso exige desnaturação da dupla-hélice de DNA em duas fitas- simples, permitindo que as maquinarias sejam capazes de polimerizar uma nova fita a partir do pareamento de bases entre o nucleotídeo presente na fita-molde com um nucleotídeos complementar livre. A DNA-polimerase é a enzima que catalisa a reação de polimerização de desoxirribonucleotídeos a partir do pareamento de bases com uma fita-simples de DNA. Ela possibilita a formação de novas fitas de DNA a partir de um DNA-molde. Realizam em todos os organismos a mesma reação enzimática, que consiste na formação de uma ligação fosfodiéster entre a extremidade 3’-OH de uma cadeia preexistente com o grupo 5’-PO4 de um nucleotídeo livre, sintetizando a fita sempre no sentido 5’3’. É a reação que o sítio catalítico com atividade de replicase realiza na duplicação do DNA. Polimerases também exercem – em um sítio catalítico distinto – a atividade de exonuclease, a qual provoca degradação de DNA a partir de uma extremidade 3’ de DNA. Sendo atividade fundamental para o reparo de incorporações de nucleotídeos durante a replicação. Replicação do DNA Forquilha de replicação – vai se abrindo à medida que, na frente, as duas fitas antigas (molécula inicial) se desenovelam, enquanto que, mais embaixo, duas novas fitas vão sendo sintetizadas e, por sua vez, se enovelam nas fitas antigas; formando duas novas cadeias duplas de DNA, cada uma contendo uma fita nova e uma fita velha. É nessa região na qual a DNA-polimerase se inclui que permite a abertura das fitas e a síntese de suas novas fitas. Essa reação de polimerização tem algumas implicações. A síntese é semiconservativa. A partir de uma dupla hélice original, ela gera duas novas moléculas de DNA fita-dupla, contendo cada uma, uma fita parenteral e uma fita do DNA recém- sintetizado. A DNA-polimerase necessita da presença de uma fita iniciadora (primer) que é um pequeno fragmento de RNA com sequência complementar a fita-molde. A partir desta, a síntese da nova fita pode ser iniciada e substituída por DNA. Na síntese semidescontínua, apenas uma das fitas é sintetizada de forma contínua (fita-líder), enquanto a outra é polimerizada de forma descontínua (fita retardada). A síntese de DNA ocorre de forma contínua ou descontínua, a forma como os sistemas biológicos realizam a dinâmica de duplicação do DNA também varia. Procarióticos duplicam seu genoma circular, a partir de uma única origem de replicação. Eucariotos, são formadas forquilhas a partir de múltiplas origens de replicação. A partir da origem, o deslocamento da replicação pode ocorrer de forma unidirecional, com uma forquilha se deslocando em uma só direção na dupla- hélice, ou ainda na forma bidirecional, com duas forquilhasse locomovendo em direções opostas ao DNA. Reparação de erros no DNA A primeira etapa da correção de erro na incorporação de um nucleotídeo ocorre durante a própria polimerização 5’- 3’, imediatamente após o pareamento, mas antes que a ligação fosfodiéster seja formada entre o novo nucleotídeo e a cadeia. No mesmo sítio catalítico com o qual se realiza a sítese, a DNA-polimerase verifica se a geometria do pareamento de bases é exata antes de catalisar a reação de ligação do nucleotídeo à cadeia. A DNA-polimerase é capaz de autocorrigir eventuais erros de incorporação enquanto se desloca pelo DNA. Ainda assim, pode deixar passar erros durante a síntese. O sistema de reparo de pareamento incorreto remove erros inseridos durante a replicação que escaparam à atividade de exonuclease. Esse sistema identifica e remove alterações apenas na fita recém-sintetizada em que o erro ocorreu e não na fita original. O sistema de reparação não detecta somente substituições de bases mal pareadas, mas também adições e deleções de pares de bases. Código genético O código que define como essa informação, disponível na forma de sequências de nucleotídeos no DNA, deve ser transformada em sequências de aminoácidos para formação de proteínas é chamado de código genético. O mRNA transmite a informação de genoma para síntese de proteínas por meio de unidades de informação genética (denominada códons) compostas por uma trinca de bases na sua cadeia. A sequência de bases nitrogenadas presentes nos nucleotídeos dos ácidos nucléicos determina a composição desses códons e cada um deles, determina a incorporação de uma dos 20 aminoácidos na cadeia da proteína – ou ainda o fim ou início da tradução. O mediador é o tRNA, que reconhece o códon do RNA mensageiro, por meio do anticódon presente na sua sequência, e direciona o aminoácido adequado para a incorporação na cadeia polipeptídica. Uma característica a respeito do funcionamento do código genético consiste no fato de ele ser degenerado, mais de um códon pode codificar um mesmo aminoácido na síntese proteica. Aqueles que representam os mesmo aminoácidos são denominados códons sinônimos, os quais, variam apenas na sua terceira base. A característica de degeneração, além de minimizar os efeitos de possíveis mutações. Cada códon só pode codificar um único aminoácido, caso contrário, o código genético permitiria a incorporação de aminoácidos variáveis na síntese de proteínas para uma mesma composição de códons no DNA. Unidade 1 Mutação Gênica Alterações moleculares Mutações são alterações permanentes no DNA que modificam a sequência de bases presentes no genoma. As mutações gênicas ocorrem em regiões gênicas e podem ter consequências para a expressão e síntese dos produtos gênicos: as proteínas. As mutações em regiões intergênicas, também têm consequências, já que afetam principalmente a regulação da expressão dos genes. O tipo celular em que uma mutação ocorre também é determinante para a população futura. Quando ocorrem em células somáticas, as mutações têm potencial de afetar a viabilidade e a função celular, com consequências variáveis no organismo. Os cânceres, surgem a partir de células que acumulam mutações, podem pôr em risco a vida do indivíduo como um todo, porém essas, não afetam o restante da população. Mutações em células germinativas, tem potencial de fixar alterações genéticas em outros indivíduos: a prole. São essas mutações que inserem variabilidade genética em uma população e afetar a evolução. Substituição de bases São mutações pontuais no DNA, a alteração de um único par de bases. Podem ser de dois tipos: Transição: troca de uma purina por outro purina (adeninas e guaninas) ou uma pirimidina por outra pirimidina (citosinas e timinas). Transversão: troca da base nitrogenada de uma purina (adeninas e guaninas) por uma pirimidina (citosinas e timinas) ou vice-versa. As mutações gênicas que envolvem substituição de pares de bases têm efeitos moleculares diversos, quando ocorrem em sequências codificadoras de proteínas: Nas mutações com sentido trocado (ou mutação missense), alteração em uma cadeia polipeptídica alterada em um aminoácido; Nas mutações sem sentido (ou mutações nonsense), indução de uma proteína incompleta ou truncada. Nas mutações silenciosas, mutação sem efeitos para a sequência da cadeia polipeptídica. Adição ou deleção de bases Muitas mutações não envolvem somente a alteração de um nucleotídeo, as a adição ou substituição dos mesmos do DNA. Adições são inseridas bases na sequência de DNA, enquanto nas deleções as bases são removidas. Uma gravidade é que adições ou deleções insiram mutações com troca de fase de leitura (ou mutações frameshift) no DNA. A gravidade se deve que esse tipo de mutação altera os códons e base do DNA a partir do sítio mutado, impactando significativamente a composição de códons do RNA mensageiro, portanto a sequência de aminoácidos incorporados a proteína resultante. São menos drásticas quando a adição ou deleção ocorre com múltiplos de três bases, já que os códons são compostos por trincas, podendo ser adicionados ou removidos do DNA, mas a fase de leitura é restabelecida e o restante da sequência é preservado. Agentes mutagênicos Podem ser endógenos (mutações espontâneas) ou exógenos (mutações induzidas). Os erros de incorporação podem dar origem a mutações, também podem ser ocasionadas pela indução de lesões no DNA – principalmente nas bases nitrogenadas. Esses erros podem alterar o padrão de pareamento de bases e/ou distorcer a dupla-hélice, assim, levar a fixação da mutação nos ciclos seguintes. Mutações espontâneas: alterações moleculares provocados por condições fisiológicas. Os erros durante a replicação do DNA explica parte das mutações espontâneas. É comum que a DNA-polimerase insira nucleotídeos incorretos durante a síntese de uma nova fita de DNA, caso essa incorporação errônea persista ao próximo ciclo de replicação, a mutação é fixada nas células- filhas. Modificações tautoméricas ocasiona pareamento incorreto durante a duplicação, o que provoca mutações pontuais, seja por transcrição ou transversão. Podem ocorrer deslizes de replicação, a DNA-polimerase se desloca de maneira incorreta sobre a fita de DNA, podem acarretar deleções ou inserções na sequência e podem ser frequentes em regiões com sequências repetitivas. A oxidação pode ocorrer espontânea e podem levar à diversas modificações de bases. Como consequência, podem levar a pareamentos incorreto durante a duplicação. A própria água presente intracelular pode induzir modificações espontâneas nas bases do DNA por reações de hidrólise. Mutações induzidas por agentes físicos. Principais agentes físicos mutagênicos são as radiações ionizantes e ultravioleta. Radiação ionizante é de alta energia capaz de penetrar profundamente nos tecidos. Induz perda de elétrons e se tornam extremamente reativos, que se combinam ao DNA, podendo causar inserções e deleções de bases durante a replicação, até o rompimento das fitas de DNA. A radiação UV, não tem energia suficiente para penetrar os tecidos, mas é capaz de excitar moléculas, como o DNA, aumentando sua reatividade. Resíduos de pirimidinas (timinas) tem alta capacidade de absorver essa radiação, reagindo com as bases vizinhas, formando hidratos de pirimidinas ou dímeros de pirimidinas, incapazes de realizar pareamento de bases, distorcem a dupla-hélice de DNA e podem levar a diversas incorporações inespecíficas. Mutações induzidas por agentes químicos. Os principais agentes podem ser classificados como análogos de bases, intercalantes de DNA ou ação direta sobre as bases. Os análogos de bases podem ser incorporados por acidente à fita crescente de DNA durante a duplicação,por terem estruturas semelhantes às bases nitrogenadas. Os intercalantes de DNA são capazes de se posicionar entre duas bases adjacentes no DNA, provocando distorções na dupla-hélice, originando a inserção ou a deleção de bases durante a replicação. Outros agentes químicos, induzem mutações por reagir diretamente com bases do DNA, modificando-as. Os agentes alquilantes atuam transferindo grupamentos metílicos ou etílicos para as bases, ou para os grupos fosfato do DNA, e têm efeitos, entre eles a indução de transições de pares G-C para A-T. O ácido nitroso tem ação direta que provoca a desaminação de bases, transformando adenina em hipoxantina, guanina em xantina e citosina em uracila, assim, a desaminação de bases pelo ácido nitroso pode provocar transições no DNA. Unidade 1 Reparo biológico do DNA Buscam reverter erros antes que sejam fixados em mutações permanentes no genoma, durante a própria síntese de DNA. A DNA-polimerase tem importante nessa etapa: sua atividade de exonuclease1 3’5’ corrige erros de incorporação, se desloca pelo DNA, desfazendo ligações recém-estabelecidas entre a cadeia e o nucleotídeo mal pareado na extremidade 3’ -OH da fita que está sendo sintetizada. 1atividade no sentido 3’5’, importante para a remoção de incorporações incorretas durante a síntese de DNA. Estratégias de reparo: Reparo direto: reversão de lesões, caso da fotorreativação, reverte a formação de dímeros de pirimidinas provocadas pela radiação UV, importante para vegetais, a enzima fotolíase captura a energia luminosa e utiliza para quebrar as ligações formadas entre pirimidinas adjacentes, desfazendo o dano às bases diretamente. Outro exemplo é a reparação enzimática de bases alquiladas. A base O6-metilguanina, a partir da metilação, pareia com timinas no lugar de citosinas, sendo responsável pela inserção de transições no DNA. Uma metiltransferase é capaz de remover o dano ao DNA, no entanto a enzima transfere o grupo metil para um dos seus resíduos cisteína e depois da reação, não pode ser utilizada novamente. Reparo por excisão: remover a região de fita- simples afetada e ressintetizá-la. 1. Reconhecimento da lesão em uma das fitas do DNA. 2. Eliminação enzimática da lesão por endonuclease2 na fita lesionada. 2capazes de clivar a fita de DNA no meio, portanto, são importantes para a remoção de nucleotídeos, no interior da dupla- hélice. 3. Síntese de uma nova fita na lacuna formada, são inseridos os nucleotídeos complementares aos da fita-molde intacta. Esse processo pode ser de reparo de excisão de bases, que foi alvo de hidrólise, de oxidação ou de agentes químicos de ação direta. As enzimas reconhecem as bases alteradas e as removem por meio de hidrólise da ligação glicosídica entre a base e a pentose alterado, liberando-o. No reparo por excisão de nucleotídeo, as enzimas não identificam lesões nas bases, mas sim, distorções na dupla-hélice, tais com as provocadas por dímeros de pirimidina. A região de fita-simples lesionada é reconhecida e removida e então o DNA é ressintetizado. Reparo por combinação:A recombinação entre as hélices filhas permite que a lesionada obtenha uma complementar intacta para atuar como molde em um futuro reparo por excisão. O reparo por recombinação não atua apenas no caso de lesões em uma das fitas do DNA. Se as bases de um par estiverem lesionadas ou quebradas, toda informação do sítio lesionado é perdida e pode ser recuperada apenas com a presença de outro molécula idêntica de DNA. Unidade 1 1 https://kasvi.com.br/principios-da-tecnica-de-eletroforese/ Eletroforese Princípios da técnica de eletroforese: A eletroforese é um método habitualmente usado para separar e também purificar macromoléculas, principalmente ácidos nucleicos e proteínas. Onde são submetidas a um campo elétrico, na qual migram para um polo positivo ou negativo de acordo com a sua carga. No caso de uma carga positiva, seguirá para o polo negativo e se for negativa, irá na direção do polo positivo. O fluxo migratório é determinado pelo peso molecular, na qual moléculas de menor peso migram mais rápido que as de maior peso, formando as bandas características que serão visualizadas posteriormente.1 Componentes: Tampão: estabiliza o PH e define a viscosidade no ambiente que ocorre a migração. Gel/matriz de migração: fornece o meio através do qual as moléculas pode migrar de acordo com o seu tamanho e forma. Fonte de potencial / campo elétrico: direciona as moléculas carregadas em direção ao eletrodo de carga oposta no sistema. 2 Cada molécula se deslocará → no gel de acordo com a sua mobilidade eletroforética3, que é a velocidade de migração para um dado potencial elétrico aplicado. 3 É ↑ maior quanto maior for a carga da molécula. É ↓ menor quanto maiores forem o tamanho e a forma da molécula. Uma vez removido o campo elétrico, moléculas com diferentes mobilidades eletroforéticas estarão localizadas em diferentes pontos do gel. Fatores que influenciam a mobilidade eletroforética. Velocidade de deslocamento da molécula na matriz de migração proporcional que depende → carga líquida e do potencial elétrico, sendo responsável por direcionar na matriz moléculas com diferenças de potencial elétrico, no entanto, a força oposta que dificulta a migração → resistência friccional. Na eletroforese de ácidos nucleicos, a diferença da mobilidade ocorre por diferença no tamanho e forma das moléculas. Cada nucleotídeo carrega uma carga negativa no grupo fosfato, todas as moléculas tem carga negativa intrínseca regular e migram em direção ao polo positivo (o ânodo). O que diferencia uma molécula da outra é seu comprimento. Na de proteínas, as moléculas podem ser separadas por seu tamanho e forma, quanto devido a sua carga intrínseca. Em comparação aos ácidos nucleicos, apresentam diferenças químicas e moleculares maiores, devido as unidades que a compõe - os aminoácidos – que são mais variáveis. Assim, a diferença de mobilidade dependerá do tamanho, da forma e carga. Outras diferenças: Na eletroforese em SDS, as proteínas migram em condições desnaturantes devido a presença do detergente iônico dodecil-sulfato de sódio (SDS), que interage com as proteínas, tornando as moléculas negativamente carregadas – semelhante ao que acontece com ácidos nucléicos. A presença do redutor ß- mercaptoetanol (BME) desfaz as ligações covalentes intra ou intermoleculares entre as proteínas e garante a desnaturação total destas. Assim, migrarão diferencialmente de acordo com o seu tamanho. Na de focalização isoelétrica, as proteínas também são desnaturadas, mas não como SDS, assim poderão ser separadas de acordo com a sua carga líquida em um gradiente de pH. No ponto do gel em que um pH específico faz com que a proteína fique neutra (isoelétrico), não migrará mais no gel. Eletroforese de ácidos nucleicos Tamanho molecular – expresso pelo número de pares de bases (pb) fitas-dupla e nucleotídeos (nt) fitas-simples – variável determinante para a separação de nucleotídeos, sua forma também exercem influência sobre a velocidade de migração. DNA circular migra mais lentamente que uma linear com massa equivalente. Na eletroforese de DNA ou RNA, os fragmentos carregados migram em direção ao polo positivo e a velocidade de cada um deles é inversamente proporcional ao seu comprimento; Na eletroforese em gel com SDS, a adição de SDS e BME desnatura as proteínas e fornece a elas uma carga Sentido da migração2 https://kasvi.com.br/principios-da-tecnica-de-eletroforese/ Unidade 1 1 https://kasvi.com.br/principios-da-tecnica-de-eletroforese/ negativa uniforme. Assim, proteínas com três tamanhos distintos podem ser diferenciadas namistura. Na separação de moléculas proteicas por focalização isoelétrica, a carga líquida dos resíduos de aminoácidos variam enquanto a molécula migra no gradiente de pH. No ponto isoelétrico, a carga líquida se torna nula e a proteína não migra mais no gel. As proteínas podem ser diferenciadas de acordo com a sua carga. Géis de migração A poliacrilamida pode separar ácidos nucleicos apenas até uma faixa de tamanho, mas apresenta uma maior capacidade de resolução: a eletroforese em PAGE pode resolver, de forma eficiente, fragmentos com apenas um par de base de diferença. A agarose, por sua vez, forma poros maiores que os da PAGE, oferecendo menor capacidade de resolução, mas pode separar moléculas de ácidos nucléicos muito maiores. Identificação de ácidos nucléicos Uma vez removido o campo elétrico, as moléculas com diferentes tamanhos/ formas dão origem a bandas distintas no gel: as bandas com posição mais adiantada são respectivas aos fragmentos com maior mobilidade eletroforética, enquanto as bandas com posição mais retardada são respectivas aqueles com menor mobilidade. Em cada banda isolada temos fragmentos com mobilidades eletroforéticas equivalentes. Bandas de DNA ou RNA são invisíveis no gel. Para que possam ser visualizados, precisam ser marcados: Corantes: alguns agentes intercalantes de DNA fluorescem sob a luz ultravioleta, permitindo que as bandas sejam visualizadas após a eletroforese. Radioisótopos: torna as bandas visíveis após exposição do gel a um filme fotográfico. A identificação de sequencias separadas por eletroforese pode ser feita por hibridização, que é a verificação da formação de pareamento de bases entre fitas com sequências complementares, empregando sondas com sequência complementar a um fragmento que possa estar presente na amostra separada por eletroforese. https://kasvi.com.br/principios-da-tecnica-de-eletroforese/
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