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Biologi� Molecular ↪ Armazenamento e fluxo de informação gênica: cápsula protege da fagocitose do sistema imune = virulenta → Princípio transformante: bactérias s/ cápsula vivas + bactérias c/ cápsula mortas = bactérias com cápsula recuperadas ↪ lisado divido em 3: s/ DNA = não ocorre a transformação, responsável por expressar o gene da cápsula. → Fluxo: Dogma central → DNA = dupla fita de nucleotídeos, 5´→3´. antiparalela, C-G e A-T → mRNA: 5´→3´, a fita debaixo do DNA é a complementar (molde) A–U e C–G trincas de bases = códons → Proteína = tradução das trincas/códons em aminoácidos → código genético = relação entre a sequência de bases do DNA e a sequência de aminoácidos, não é sinônimo de genoma → genoma: toda informação genética, toda a sequência. → quando o vírus que possui RNA como material genético, entra na célula e já codifica proteínas, além de poder autorreplicar o RNA para produzir mais RNA → retrovírus: RNA → (transcriptase reversa) → DNA → RNA → proteína isso permite que o vírus se incorpore ao DNA → replicação: duplicação do DNA a partir de um DNA molde, catalisada por DNA polimerases → Transcrição: síntese de RNA a partir do DNA molde, RNA polimerases → Tradução: síntese de proteínas a partir do código do mRNA, ocorre nos ribossomos, tRNA carrega aminoácidos ⚠ todos os processos precisam de energia, que advém do metabolismo Exercícios: 1. Em 1928, Frederick Gri�th propôs a existência do "princípio transformante” que tornava bactérias avirulentas em bactérias virulentas. Descreva o experimento que foi realizado e descreva dois experimentos que provaram que o princípio transformante era DNA. Bactérias sem cápsula foram injetadas em camundongos e esses sobreviveram. Depois, bactérias com cápsula e os camundongos morreram. Em outra rodada de testes, foram inoculadas células com cápsula, mas inativadas por calor e essas não afetaram os camundongos. Depois, bact. com cápsula e bact. sem cápsula foram misturas e inoculadas, provocando a morte do camundongo, sendo proposto o principio transformante. Para provar esse principio, foi feito um lisado de bactérias com e sem cápsula e separado em 3 tubos de ensaio. O primeiro tubo recebeu protease, o segundo, rnase e o terceiro, dnase. Os camundongos infectados com o lisados dos tubos 1 e 2 morreram, já o do terceiro, não. Provando assim que o princípio transformante na verdade era o DNA, que induzia as células sem cápsula a expressarem genes para formarem cápsula e se tornarem virulentas. 2. Explique o dogma central da Biologia molecular, em sua forma original e revisada. O dogma central da biologia molecular se baseia que uma molécula de DNA sofre autorreplicação pela ação de DNA polimerases, depois é transcrita para uma fita de mRNA através de RNA polimerases e por fim, é traduzida em proteína ou enzimas. ↪ Estrutura de Ácidos Nucleicos DNA e RNA - são polímeros de nucleotídeos - 5’ - fosfato - 3’ - OH (hidroxila) - ligação fosfodiéster → nucleotídeos: Rna possui duas hidroxilas (3’ e 2’), por isso sofre maior efeito da hidrolise (é mais instável) → bases nitrogenadas: - purinas = adenina e guanina - pirimidinas = citosina, uracila e timina ⚠ Bases no DNA podem sofrer modificações químicas fisiológicas, como metilação → ‘ serve para diferenciar os carbonos da pentose → nucleotídeos podem ter até 3 fosfatos (ex.: ATP), e quando não tem fosfato é chamado de nucleosídeo → Regra de Charga�: - A/T e C/G = 1 - A + G = T + C → DNA = - duas fitas antiparalelas - bases perpendiculares ao eixo - 10,4 bases por volta - fosfato e açúcar voltados para o exterior - carga negativa por causa do fosfato → as ligações de hidrogênio conferem especificidade de ligação entre as fitas A = T (duas ligações) G ≡ C (3 ligações) → interações não covalentes conferem estabilidade a dupla-hélice: ↪ interações hidrofóbicas entre os pares de bases adjacentes (empilhados) ↪ interações de atração de van der waals entre as bases → Formas de dupla-hélice - A-DNA = mais larga, gira para direita - B-DNA = intermediária, gira para direita - Z-DNA = estreita, gira para esquerda → As ligações de hidrogênio podem se desfazer, ocorrendo a desnaturação. Pode ocorrer por aquecimento ou mudança de pH. É reversível, devido a especificidade das ligações → DNA desnaturado absorve mais porque as bases estão mais expostas, assim, a absorbância aumenta com a desnaturação = Efeito hipercrômico - maior a porcentagem de G+C, mais dificil de desnaturar, aumenta Tm → Propriedade da desnaturação é importante para a função de estoque e transferência da informação genética → RNA: - fita simples que pode formar estruturas complexas, e cada estrutura diferentes tem uma função diferente - 5’ → 3’ - fita simples pode se dobrar para formar alças, grampos e parear bases na mesma cadeia (pareamento intracadeia) - C-G; A-U - tipos: codificadores de proteína (mRNA) e não codificadores (ncRNA, tRNA, rRNA) Exercícios: 1. A sequência abaixo representa a fita codificadora de um segmento de DNA (5') ATGCCGTATGCATTGCATTC (3') a. Escreva a sequência de bases da fita complementar do DNA fita-dupla Exprima, em porcentagem, a composição de bases do DNA fita-dupla (3’) TACGGCATACGTAACGTAAG (5’) b. Que tipos de interações químicas estão envolvidos nas ligações entre os nucleotídeos e entre as cadeias de DNA na fita dupla? Faça um esquema Entre os nucleotídeos estão presentes as interações de van der waals. Já entre as cadeias, estão presentes interações hidrofóbicas c. Qual seria a sequência de um RNA transcrito a partir deste segmento de DNA? (5’) AUGCCGUAUGCAUUGCAUUC (3’) 2. Um ácido nucléico tem a composição de bases abaixo. O que você pode afirmar sobre esta molécula? C = 24,1% G = 18,5% T = 24,6% A = 32,8% DNA de fita simples, pois a proporção de bases não está igual 3. A figura a seguir representa conformações de DNA em diferentes temperaturas (I, II, III). Qual conformação tem absorbância relativa mais alta a 260 nm? Qual segmento da molécula tem provavelmente maior conteúdo de guanina e citosina? O aumento do segmento A em relação ao segmento B teria algum efeito sobre Tm na curva de fusão? III terá a absorbância relativa mais alta, por estar mais desnaturada, tendo suas bases mais expostas. Provavelmente as extremidades, por apresentarem maior resistência à desnaturação. Sim, aumentaria a Tm 4. Quais os diferentes tipos de RNA que podem ser encontrados nas células e como eles se diferenciam quanto à estrutura, tamanho, abundância e função? mRNA, tRNA, rRNA RNA estrutura abu ndâ ncia função mRNA Fita simples 1-5% transfere a informação genética do DNA aos ribossomos rRNA fita dupla por pareame nto interno 75% Serve como um esqueleto das subunidades ribossomais tRNA tridimens ional em L 10-15 % transporta os resíduos de aminoácidos até os ribossomos 5. Qual tipo de RNA está presente no coronavírus que se assemelha ao RNA da célula eucariótica? Explique essa semelhança e uma diferença existente entre eles. mRNA. semelhança = mRNA gera proteínas diferença = não há replicação do RNA 6. Analisando as estruturas 1, 2 e 3 responda: a. Quais as diferenças entre elas? Qual poderia ser incorporada em uma molécula de DNA? O ligante à pentose e o número de hidroxilas. A 2 poderia ser incorporada , pois possui um fosfato na posição 5’ e uma hidroxila na posição 3’. b. Qual poderia ser usada na formação de uma molécula de RNA? Por que o RNA é mais suscetível à degradação que o DNA? A 3 poderia se ligar ao RNA. O RNA é suscetível à hidrólise alcalina porque o açúcar ribose em RNA tem um grupo hidroxila na posição 2 ', o que torna RNA quimicamente instável comparado com DNA ( DNA tem hidrogênio na posição 2 '). DNA é estável em condições alcalinas. c. O ácido desoxirribonucleico (DNA) e o ácido ribonucleico (RNA) possuem algumas diferenças estruturais que são importantes para a função de cada um deles. Cite 3 diferenças entre essas macromoléculas. RNA DNA Fita simples Dupla fita ribose desoxirribose uracila timina ↪ Compactaçãodo Material Genético O DNA pode ser enovelado → topoisomerases desmancha as tensões do super enovelamento, mudando o grau até a forma relaxada ↪ Tipo I = quebra uma das fitas do DNA (na ligação fosfodiester), a fita intacta é passada através da quebrada, formando uma religação ↪ Tipo II = quebra as duas fitas, a fita de baixo liga-se na parte de cima, mudando o giro. Atua na replicação do DNA. Requer ATP. DNA girase → O superenovelamento é um processo regulado que influencia a replicação, a transcrição, a recombinação e a compactação. → Inibidores de DNA girase inibem a replicação e transcrição bacteriana → antibióticos → o material genético precisa estar compactado para estar contido na célula ou compartimento → cromatina = DNA cromossomal + proteína estrutural (histona) ↪ NAPs = proteínas associadas ao nucleóide, ajudam o DNA a se compactar ↪ eucromatina = menos compactada, regiões de genes com maior atividade ↪ heterocromatina = mais compactada ↪ nucleossomo = 8 unidades de histona + duas voltas de DNA (146 pares de base) = unidade fundamental da organização da cromatina → histonas = proteínas pequenas de carga líquida positiva → histona H1 = histona de ligação, fica entre os nucleossomos para conectá-los, aumentando o grau de compactação → plataforma nuclear formada por proteínas a qual a cromatina se associa para se organizar ⚠ a cromatina é dinâmica, variando de eucromatina para heterocromatina, dependendo de modificações nas histonas por modificações covalentes ou modificações no DNA Exercícios: 1. O núcleo de uma célula humana tem 6m de diâmetro e a extensão total do DNA dos seus 46 cromossomos soma 1,8 m. Como é resolvida a discrepância entre estas duas grandezas? Descreva detalhadamente o modo de compactação do DNA numa célula eucariota, considerando as proteínas envolvidas, suas características e o grau de compactação conferido por elas. Através da condensação do DNA. O DNA é enrolado em histonas, formando nucleossomos. Esses nucleossomos são compactados pela histona de ligação (H1) em uma razão de 100x, formando uma fibra de 30 nm. Depois disso, essa fibra formará alças ligadas a proteínas da matriz nuclear. Depois essa cromatina é condensada em uma razão de 1.000 a 2.000x. 2. A figura ao lado mostra o resultado de um experimento realizado em 1973 por Hewish e Burgoyne. Eles isolaram a enzima DNAse, que quebra ligações fosfodiéster no DNA e a usaram para tratar uma amostra de DNA nu (sem proteínas) e uma amostra de cromatina, de maneira que o DNA não era completamente degradado até nucleotídeos, mas era quebrado em fragmentos de diferentes tamanhos. Eles encontraram que, enquanto o DNA nu era degradado de maneira aleatória, originando fragmentos de vários tamanhos que formavam um rastro no gel, a cromatina originava fragmentos que eram múltiplos de 200 bp. Explique esse resultado. Dica: veja a animação do DNA learning center (link no e-disciplinas). A cromatina originava fragmentos com múltiplos de 100 bp devido ao enrolamento do DNA nas histonas. 3. Além da organização estrutural, que outras funções podem ter as proteínas que formam a cromatina? Organização durante a divisão celular; controle da transcrição 4. Qual é a importância do empacotamento do DNA? Melhor armazenamento e transporte 5. Quais afirmativas estão corretas? Justifique todas. a. As quatro histonas do cerne são proteínas relativamente pequenas com uma alta proporção de aminoácidos com carga positiva; essa carga positiva auxilia na forte ligação ao DNA, não importando sua sequência nucleotídica. ( V ) b. Os nucleossomos ligam o DNA tão fortemente que eles não podem alterar a posição em que foram inicialmente estabelecidos. ( F ) O empacotamento do DNA é dinâmico e reversível c. Bactérias não tem histonas, portanto não apresentam cromatina. ( F ) Bactérias possuem cromatina devido a proteína H-NS (histone-like nucleoid-structuring protein) ↪ Replicação do DNA Material genético é copiado e transferido para a geração seguinte. → É semiconservativa: A fita dupla se abre e cada fita-mãe serve de molde para uma fita-filha → Nucleotídeos complementares são introduzidos por pareamento das bases → sintetizadas no sentido 5’ à 3’ da fita nascente, o molde é de 3’ a 5’ → Síntese = produtos = DNA com uma base a mais e liberação de 2 grupos fosfato Ligações do tipo ATP são quebradas, liberando grande quantidade de energia → DNA polimerase = sintetiza DNA, colocam nucleotídeos na fita nascente. Precisa de uma OH na posição 3’ para a adição de nucleotídeos. Ela necessita de um iniciador (primer) e de um molde de DNA. Sentido 5’ → 3 ‘ da fita nascente. ↪ A E. coli possui 5 DNA polimerases diferentes ↪ III = processividade, extremamente veloz, complexo de 9 subunidades (cada um codificado por um gene), atividade de polimerase (adição de nucleotídeos) ↪ I = atividade de exonuclease (retirada do nucleotídeo da cadeia, em qualquer sentido) - forquilha de replicação = região do DNA onde há transição do DNA parental de fita dupla para as novas fitas duplas (parental _ filha). Tendo duas forquilhas por bolha de replicação - bolha de replicação = região onde o DNA parental teve as fitas separadas a partir da origem, delimitada por duas forquilhas - origem de replicação (ori) = sequências específicas (sítios de ligações de proteínas) onde o DNA se desnatura e há a entrada da DNA polimerase, região de abertura ↪ eucariotos possuem mais de uma origem de replicação ↪ os sítios de ligação possuem regiões de 9bp que serão ligadas a DnaA-ATP, que formará vários oligômeros, gerando torções que relaxam as regiões de 13 bp. Nessas regiões que já está fita simples, entra a DnaB sendo carregada pela DnaC-ATP. ↪ DnaB tem função de helicase, anel de 6 monômeros, quebra ligações de hidrogênio para a ação da DNA polimerase → Início da replicação: é controlado por metilação (modificação da adenina) do DNA na oriC - origem hemimetilada: inativa - Dan metilase metila as filhas, origem metilada ativa → impede a formação de bolhas sem que tenha iniciado a replicação → elongação: - DNA polimerases precisam de uma extremidade 3´OH livre para adicionar novos nucleotídeos à cadeia → Antes da ação da DNA polimerase, um primer (iniciador) de RNA é adicionado pela primase - A síntese de DNA sempre se dá no sentido 5´- 3´ → Replicação é contínua numa fita (fita líder) e descontínua na outra (fita descontínua ou atrasada, que não possui primer, para isso, é necessário abrir mais para a colocação do primer) primer = os primeiros nucleotídeos adicionados pela primase são RNA - fragmento de okazaki = pequeno fragmento de DNA (com um primer de RNA no termino 5') criado na cadeia atrasada durante a replicação ⚠ a replicação é bidirecional → Replissomo = conjunto de proteínas envolvidas na replicação do DNA -1 - DNA-topoisomerase II = vai na frente da forquilha desenrolando as torções - helicase (DnaB) = abre as fitas de DNA - SSb = mantém as fitas simples - DNA girase = desfaz a tensão do superenrolamento - Primase (DnaG) = sintetiza o primer de RNA - DNA polimerase II = 9 subunidades, 3 cernes catalíticos, catalisa a ligação fosfodiester, alta processividade, alta velocidade, revisão de erros pela atividade de exonucleose → O molde da fita descontínua dá uma volta na DNA polimerase para entrar na orientação correta → modelo de trombone → RNase H = degrada RNA em fita dupla com DNA (primers) → DNA polimerase I = preenche as lacunas dos fragmentos de Okazaki com atividade de polimerase 5’ → 3’, retira os primers de RNA com atividade de exonuclease 5’-->3’ - parte da frente retira os primers e a de trás coloca bases → DNA ligase = devido as polimerases não serem substrato trifosfato, é necessário o uso dessa enzima para formar as ligações fosfodiéster, ligando os fragmentos de Okazaki → A replicação do DNA tem fidelidade = bases não pareadas não permitem a ligação fosfodiéster, devido a especificidade da DNA polimerase ↪ revisão de prova erros de incorporação podem ser corrigidos durante a replicação pelaprópria DNA polimerase II (um passo para trás para remover a base errada) → Terminação: sítios de terminação se ligam à proteína Ter que impede a passagem do replissomo ↪ ao final da replicação, os cromossomos circulares estão concatenados (ligados em uma cadeia) → a topoisomerase II quebra as duas fitas do DNA para separar os cromossomos → terminação nos cromossomos lineares de eucariotos - telômeros = sequências repetidas nas extremidades ajudam a estabilizar o cromossomo, impedindo o encurtamento - telomerase = replica o DNA nos telômeros, usando um RNA interno como molde. Caminha nas repetições, sintetizando DNA colocando repetições. Mais expressa nas células que são renovadas constantemente → falta de atividade = envelhecimento por encurtamento - A cada vez que um cromossomo linear termina a replicação, o primer de RNA da ponta de uma das fitas (a que seria 3'-5') é retirado e sobra uma região de fita simples 5'-->3'. A telomerase aumenta essa região de fita simples, do 5' para o 3' e assim um novo primer pode ser colocado na ponta dela, fechando a lacuna Exercícios: 1. Por que a estrutura do DNA fornece um mecanismo para a hereditariedade? Pois carrega um código genético responsável de transmitir os genes de geração para geração 2. Descreva o experimento de Mesenson e Stahl que provou que a replicação é semi-conservativa. Use os livros e veja a animação em http://www.dnaftb.org/20/animation.html Primeiro, foi realizada um cultura de células de E. coli na presença de N15. Conforme as bactérias iam crescendo e se multiplicando, esse isótopo de nitrogênio ia sendo incorporado às bases nitrogenadas do DNA. Depois, essa cultura foi transferida para um novo meio sem o isótopo, contendo N14 para ser incorporado. Foram separadas 4 amostras, uma contendo apenas células que cresceram na presença de N15, 2 que foram transferidas do meio N15 para N14 e uma que apenas cresceu em meio N14. As células que cresceram em dois meios, apresentou ambos os isótopos de http://www.dnaftb.org/20/animation.html nitrogênio na sua composição, provando que a replicação é semiconservativa. 3. Observe a figura ao lado, que mostra duas fitas-filha de DNA sendo sintetizadas no sentido das setas em uma forquilha de replicação. a) O esquema mostrado é correto? Justifique, levando em conta a estrutura do DNA, as propriedades da DNA polimerase e a existência dos fragmentos de Okazaki. b) Os fragmentos de Okazaki podem ser dispensáveis? Por quê? c) Faça um novo esquema (ou esquemas) incorporando todas as informações levantadas para responder os itens a e b. 4. Num experimento, um extrato de E. coli for incubado com uma mistura de dATP, dTTP, dGTP e dCTP, todos marcados com 32P no grupo fosfato da posição . a) Se qualquer dos nucleotídeos for omitido da reação, haverá incorporação de radioatividade no DNA? Explique. Sim? b) 32P seria incorporado no DNA se somente dTTP fosse marcado? Explique. Sim c) Radioatividade seria incorporada ao DNA se 32P estivesse nas posições ou dos desoxirribonucleotídeos? Explique. d) Esquematize a formação da ligação fosfodiéster durante a replicação a partir do nucleotídeo trifosfato livre mostrando qual grupo fosfato é incorporado. e) Por que a evolução selecionou apenas um sentido de síntese de DNA? 5. Como se dá o início e o término da replicação em um cromossomo bacteriano? E num eucariótico? Em um cromossomo bacteriano, o término se dá pela ligação de sítios de terminação à proteína Ter, que impede a passagem do replissomo. Assim, ao final da replicação, os cromossomos circulares estão concatenados (ligados em uma cadeia) e a topoisomerase II quebra as duas fitas do DNA para separar os cromossomos. Já nos eucariotos, a terminação é dada pelo ação dos telômeros (?) 6. Qual a importância da metilação do DNA no controle da replicação de E. coli? É o que inicia a replicação e identifica qual é a fita mãe e qual é a fita filha 7. Descreva a função das proteínas presentes no replissomo de E. coli. DNA-topoisomerase II = vai na frente da forquilha desenrolando as torções helicase (DnaB) = abre as fitas de DNA SSb = mantém as fitas simples, impedindo a formação de estruturas secundárias DNA girase = desfaz a tensão do superenrolamento Primase (DnaG) = sintetiza o primer de RNA DNA polimerase II = catalisa a ligação fosfodiéster e realiza a revisão de erros pela atividade de exonucleose RNase H = degrada RNA em fita dupla com DNA (primers) DNA polimerase I = preenche as lacunas dos fragmentos de Okazaki com atividade de polimerase 5’ → 3’, retira os primers de RNA com atividade de exonuclease 5’-->3’ parte da frente retira os primers e a de trás coloca bases DNA ligase = liga os fragmentos de Okazaki 8. Como a incorporação de bases erradas no DNA é evitada? A replicação do DNA tem fidelidade = bases não pareadas não permitem a ligação fosfodiéster, devido a especificidade da DNA polimerase, assim, na revisão de prova, erros de incorporação podem ser corrigidos durante a replicação pela própria DNA polimerase II (um passo para trás para remover a base errada) ↪ PCR É um método para amplificação (multiplicação) seletiva de sequências de DNA a partir de amostras puras ou complexas contendo DNA ou RNA. → é necessário: - DNA molde que será desnaturado - Primers de DNA complementares a sequencias na vizinhança da região alvo a ser amplificada com 3’ OH livre para adição de dNTPs - DNA polimerase para sintetizar novas cópias idênticas a região alvo a ser amplificada - dNTPs = substrato para síntese de DNA - Condições ideais para a enzima, como temperatura e pH → Primers para PCR: oligonucleotídeos = iniciadores - Um para cada fita do DNA - Sequências específicas e conhecidas - 18‐24 bases complementares ao alvo - Não devem formar estruturas secundárias - Tm semelhante entre o primer 1 e primer 2 - Existem programas para planejamento de primers (ex: Primer3) → Ciclo de 3 etapas: 1. etapa = desnaturação 2. anelamento dos primers direto e reverso 3. extensão dos primers = síntese de DNA = amplicons → Taq DNA polimerase = resistente a variação de temperatura → corante sybr green → aplicações: - genotipagem do DNA (diagnóstico molecular) - teste de paternidade - diagnóstico de doenças genéticas - detecção de infecção/contaminação por bactérias, vírus ou fungos Exercícios: 1. A técnica de PCR (polymerase chain reaction ou reação da polimerase em cadeia) é utilizada para obter grandes quantidades de DNA a partir de amostras contendo quantidades ínfimas de DNA. Detalhe os princípios desta reação, informando a enzima utilizada, os componentes/substratos da reação, etapas da reação e como o produto da reação (amplicon) pode ser analisado. 2. Um pesquisador interessado em amplificar o segmento de DNA esquematizado abaixo utilizou os pares de primers indicados em reações de PCR (reação A, par de primers A; reação B, par de primers B; reação C, par de primers C; reação D, par de primers D). Qual será o resultado que ele obteve em cada uma das reações? Explique Par de primers A: GACCTGTGGAAGC e CATACGGGATTGA Par de primers B: GACCTGTGGAAGC e TCAATCCCGTATG Par de primers C: CTGGACACCTTCG e TCAATCCCGTATG Par de primers D: CTGTGGAAGC e ATCCCGTATG Assinale a alternativa correta relativa à amplificação do segmento de DNA esquematizado acima. a) Primers: 5’-GACCTGTGGAAGC-3’ e 5’-CATACGGGATTGA- 3´ Amplicon: 226 pb b) Primers: 5’-GACCTGTGGAAGC-3’ e 5’-TCAATCCCGTATG-3’ Amplicon: 226 pb c) Primers: 5’-GACCTGTGGAAGC-3’ e 5’-CATACGGGATTGA- 3´ Amplicon: 200 pb d) Primers: 5’-GACCTGTGGAAGC-3’ e 5’-TCAATCCCGTATG-3’ Amplicon: 200 pb e) Primers: 5’-CTGGACACCTTCG -3’ e 5’-TCAATCCCGTATG-3’ Amplicon: 226 pb 3. Aponte diferenças entre o ensaio de PCR convencional e o ensaio de qPCR (PCR quantitativo). 4. A distrofia muscular de Duchenne (DMD) é uma das doenças genéticas mais comuns. O gene da DMD localiza-se no cromossomo X, possui mais de 2 x 106 pares de base e contém pelo menos 70 exons. 60% dos casos são devidos à ocorrência de deleções grandes concentradas em duas regiõesdo gene. 1/3 dos novos casos são devidos a novas mutações no gene. A técnica de PCR- multiplex é um método rápido e eficiente no diagnóstico da DMD e pode detectar aproximadamente 80% de todas as deleções já conhecidas. Nesta técnica são utilizados múltiplos pares de primers que podem amplificar, em uma reação, 9 segmentos (de tamanhos diferentes) do gene nas regiões onde as deleções ocorrem mais frequentemente. Um exemplo de análise por PCR-multiplex é apresentado abaixo. Descreva as deleções, se houverem, em cada um dos seis pacientes de DMD analisados. Que controle adicional você sugere para 5´GACCTGTGGAAGC CATACGGGATTGA-3 200 pb 3´CTGGACACCTTCG GTATGCCCTAACT-5´ confirmar o diagnóstico do paciente F? As setas apontam os nove sítios amplificados pela PCR. Normal equivale a um indivíduo do sexo masculino não portador da DMD e O é um controle negativo onde não foi adicionado DNA à mistura de reação. 5. O que são STRs (Short Tandem Repeats) e qual sua utilidade na determinação da impressão digital de DNA humano? 6. Você gostaria de analisar os níveis de expressão do oncogene Her2 em biópsias de tecido normal e de tecido tumoral. Que metodologia você poderia utilizar? Atente que se trata da análise da expressão de um único gene. ↪ Estrutura de genes e genoma gene = um segmento de DNA que contém a informação para um produto final, que pode ser RNA ou proteína - estão arranjados de maneira linear nos cromossomos - Informação sobre estrutura, função e outros atributos biológicos de quem o carrega, conferindo um fenótipo 5’ UTR e 3’ UTR são regiões não codificadoras região codificadora não é a fita molde região regulatória é onde as enzimas polimerases serão ligadas → genes procarióticos = podem se como apresentar operons, tendo mais de uma proteína codificada por um mRNA → um mRNA corresponde mais de um gene, região regulatória para mais de um gene → genes eucarióticos são interrompidos por introns (maiores que os exons), que serão retirados no processo de splicing (são transcritos mas não traduzidos), cada gene codifica apenas um produto → composição do gene: - sequência codificadora, correspondente ao produto final - introns e exons (em eucariotos) - sequência regulatória, que indica onde e como o gene deve ser codificado - Sequências não traduzidas (UTR), presente apenas em genes codificadores de proteínas → genoma = Conjunto de toda a informação genética do organismo (inclui dna extranuclear), Inclui genes, regiões não codificadoras de proteínas, regiões regulatórias, regiões intergênicas ⚠ não é sinônimo de código genético (sequência de códons que codificam aminoácidos)) - Genes correspondem apenas a 25% do genoma humano → Bactérias = têm alta densidade gênica •1 cromossomo circular • Genes em operons • ~1000 pares de base/gene • Regiões regulatórias curtas • Poucas e pequenas regiões intergênicas • Alta densidade gênica • Poucas sequências repetidas → Eucariotos •Vários cromossomos • Cada gene tem sua região regulatória • Genes com tamanhos muito variáveis • Genes interrompidos por introns • Regiões regulatórias longas e distantes • Regiões intergênicas longas • Muitas sequências repetidas Exercícios: 1. Defina: gene, sequência codificadora e sequência não codificadora. gene = um segmento de DNA que contém a informação para um produto final, que pode ser RNA ou proteína sequência codificadora = éxons sequência não codif = íntrons 2. Como foi descoberta a relação um gene-uma enzima? Como foi possível desvendar a ordem das enzimas da via de síntese da arginina? https://www.dnalc.org/view/16360-Animation -16-One-gene-makes-one-protein-.html. A relação gene-uma enzima foi descoberta no experimento que consistia em crescer mutantes de Neurospora em um meio de cultura mínimo e um meio com aminoácidos e vitaminas. As Neurospora que não cresceram no meio de cultura mínimo foram colocados em dois tubos, um com o meio + aminoácidos e outro com meio + vitaminas. Não havendo crescimento no tubo de aminoácidos, conclui-se que a Neurospora não produzia alguma vitamina, assim, foram feitos tubos com uma vitamina cada e naquele que não cresceu neurospora, conclui-se que não havia produção dessa vitamina. Assim, descobriu-se que a ausência da codificação de um gene, não produzia a vitamina, logo, um gene - uma enzima. 3. Cada proteína/enzima é codificada por apenas um gene? Discuta e estabeleça uma relação com o maior nível de organização estrutural das proteínas. Não, cada gene codifica um produto que podem corresponder a diferentes partes de uma mesma proteína, construindo uma estrutura complexa. 4. Compare a estrutura de genes bacterianos e eucarióticos e a organização do genoma de bactérias e eucariotos Bacterianos Eucariotos 1 cromossomo circular Vários cromossomos Genes em operons Cada gene tem sua região regulatória ~1000 pares de base/gene Genes com tamanhos muito variáveis Regiões regulatórias curtas Genes interrompidos por introns Poucas e pequenas regiões intergênicas Regiões regulatórias longas e distantes Alta densidade gênica Regiões intergênicas longas Muitas sequências repetidas ↪ Recombinação e elementos genéticos móveis → Recombinação = rearranjos no DNA formando novas combinação, para replicação ou reparo, requer homologia, gera diversidade genética - funções: clonagem, construção de organismos recombinantes (transgênicos, vacinas, medicamentos) Identidade = % Similaridade = % Homólogos = ancestral comum, mesma função → recombinação homóloga = sequências com homologia relativamente longas - modelo de holiday (junção) -> crossover ou patch (remendo, apenas uma fita é trocada das cromátides irmãs) - Reparo de quebra de fitas duplas evita bloqueio da replicação → recombinação sítio-específica = sequência menores que são idênticas na mesma molécula ou entre duas, específicas que são reconhecidas por recombinases específicas - as recombinases cliva e religa o DNA, trocando as fitas - É o ciclo de replicação de alguns vírus e plasmídeos - Transferência horizontal de DNA - Regulação de expressão gênica em bactérias - aumento de anticorpos (IgM) embrionários → transposição = elementos móveis que saltam entre moléculas de DNA - transposons = elementos genéticos móveis que podem saltar de uma região a outra do DNA - Carregam genes de interesse - Sem duplicação = pula para um novo sítio, direta e simples - Replicativa = transposons faz uma cópia para ser inserida em um novo sítio - Retrotransposons = exclusivo de eucariotos, originário de retrovírus, integrado a regiões não codificadoras - Efeito = silenciamento do gene, uma mutação por inserção, perda de função da proteína - Origina 45% do genoma humano → Elementos genéticos móveis = aumentam a variabilidade genética, rearranjos e trocas que possibilita novas combinações - episomos = replicação autônoma - Integrado ao hospedeiro - são plasmídeos, bacteriófagos e transposons → Plasmídeos = moléculas circulares de DNA extracromossomais, possui genes que aumentam o repertório genético do hospedeiro (adaptação) - presentes em bactérias, protozoários, leveduras - Replicação autônoma (epissomos) - Número de cópias controlado - Partição entre células para impedir que plasmídeos se percam na divisão celular - Podem ser transferidos por transformação (incorporado do meio extremo) ou conjugação (genes de mobilização e transferência) - Usados para clonagem de fragmentos de DNA, expressão de proteínas heterólogas, biossensores → Bacteriófago = são vírus que infectam bactérias, 2 ciclos de vida; lítico (lise da bactéria) e lisogênico (dna incorporado) → Transposons: - transforma natural = requer aparato de tomada de DNA (pilus) do meio para o interior da célula, DNA pode ser integrado no cromossomo - Conjugação = Contato celular é necessário, pilus conjugativo ou poros entre as células - Transdução = Transferência genética entre bactérias que dispensa o contato entre as células, mediada por bacteriófagos que empacotam parte do DNA das bactérias Exercícios 1. Quais as funções da recombinaçãogenética? clonagem, construção de organismos recombinantes (transgênicos, vacinas, medicamentos) 2. O que é recombinação homóloga? Quando ela ocorre? A recombinação homóloga ocorre entre quaisquer duas sequências de DNA que sejam iguais ou muito semelhantes. Usualmente envolve a quebra de duas moléculas de DNA na mesma região, onde as sequências são muito semelhantes, e a junção de um DNA ao outro, o que resulta num processo de "cross-over". Ocorre quando há pareamento dos cromossomos homólogos durante a divisão celular. 3. O que é recombinação sítio-específica? Cite exemplos e mostre as principais diferenças em relação à recombinação homóloga. É uma recombinação orientada por proteínas, as recombinases, não há necessidade de homologia, e ocorre em sequência menores que são idênticas na mesma molécula ou entre duas, específicas que são reconhecidas por recombinases específicas, essas clivam e religam o DNA, trocando as fitas. Exemplos dessa recombinação estão presente no ciclo de replicação de alguns vírus e plasmídeos, na transferência horizontal de DNA e na regulação de expressão gênica em bactérias. 4. Transdução, conjugação e transformação são formas de transferência de material genético em bactérias. a. Quais elementos genéticos são transferidos em cada um destes processos? Descreva com detalhes. transdução = transferência como parte do genoma viral conjugação = transferência de plasmídeos ou parcial do cromossomo através do contato transformação = genoma parcial transferido por captação de DNA do meio b. Que tipos de genes esses elementos podem carregar? Genes de resistência, maior virulência etc 5. O que são transposons? Como eles podem se mover dentro do genoma e inter-genomas? Qual a importância deles para a evolução? elementos genéticos móveis que podem saltar de uma região a outra do DNA, através de replicação ou de modo sem duplicação, carregando genes de interesse. Eles são mediadores da transferência genética horizontal, incorporando genes importantes durante a evolução, como o que permitiu a formação de placenta em mamíferos. 6. O fato de bactérias patogênicas estarem se tornando resistentes a um grande número de antibióticos é um sério problema de saúde pública. Uma cepa bacteriana em um paciente que vinha sendo tratado com um antibiótico pode subitamente se tornar resistente não apenas a este antibiótico, mas a outros também aos quais não foi exposta. Especule sobre a base molecular deste problema. As bactérias se comunicam através de um mecanismo chamado Quorum Sensing, permitindo que grupos de bactérias alterem o comportamento de maneira síncrona em resposta a mudanças na densidade populacional. O sistema QS regula vários processos celulares, que envolvem principalmente a regulação da luminescência bacteriana, fatores de virulência, tolerância de desinfetantes, formação de esporos, produção de toxinas, motilidade. Quando a concentração das moléculas sinalizadoras atinge um determinado limiar com a densidade da população bacteriana, a expressão de certos genes específicos pode ser iniciada para regular a adaptação da população bacteriana. Em geral, as bactérias QS produzem e liberam moléculas de sinais químicos denominadas autoindutores (AIs). Essa comunicação permite a adaptação ao antibiótico, resultando em cepas resistentes. 7. Qual a importância da transferência horizontal de genes na evolução do genoma humano? Dê exemplos. Genes adquiridos através da transferência horizontal permitiram o surgimento de placenta, assim, a transferência horizontal foi e é importante para adquirir genes úteis para a evolução. 8. Bactérias apresentam um “sistema imune” contra a infecção por bacteriófagos, denominado CRISPR-Cas, cujo mecanismo tem sido extensivamente utilizado como uma ferramenta de engenharia genética. Como ele funciona, tanto nas bactérias quanto nas aplicações práticas? Esse sistema é composto pela porção CRISPR, formado por repetições diretas e palindrômicas (capazes de formar grampos durante a transcrição) e espaçadores de origem exógena. Além disso, para que seja funcional, possui associação com as proteínas Cas. Em uma espécie bacteriana, as repetições são idênticas, enquanto os espaçadores são distintos. O processo se inicia após a entrada de um DNA exógeno/invasor na célula procariota. Esse ácido nucléico é reconhecido por proteínas de reparo e posteriormente processado, o que promove o seu reconhecimento pelo complexo protéico Cas1-Cas2. Logo após, ocorre a incorporação dessa sequência exógena ao locus cromossômico onde se localiza o CRISPR, que é transcrito e passa a ter esse DNA invasor como uma região espaçadora. Durante o processo de transcrição do CRISPR, ocorre a formação de grampos, por conta das regiões palindrômicas, que são reconhecidos/processados pelas enzimas Cas 6 (no caso do CRISPR tipo I) ou pelas enzimas RNAse tipo III (no caso do CRISPR tipo II). O produto desse processamento é o crRNA proveniente dos espaçadores, sendo um ligante do patógeno que antes havia liberado seu DNA dentro da célula. Caso esse invasor infecte novamente, haverá a ligação de seu material genético com o crRNA através do reconhecimento de uma sequência específica de 2-5 nucleotídeos denominada PAM, que está presente de forma upstream ou downstream ao espaçador. Em seguida, acontece a clivagem deste pela proteína Cas 9 associada ao sistema CRISPR. ↪ Danos, Mutações e reparos Danos no DNA pode gerar mutações ou bloqueio de replicação e morte celular → dano = alteração química que pode ser reparada → mutação = mudança na sequência de bases do DNA, que pode ser herdada, danos não reparados ↪ de ponto = nucleotídeo alterado ↪ inserção = nucleotídeo a mais ↪ deleção = nucleotídeo a menos → efeitos: ↪ silenciosa = não afeta o aminoácido codificado ↪ missense = troca de aminoácido ↪ nonsense = troca por um códon de parada, impedindo a tradução ↪ mudança de quadro de leitura = inserção ou deleção (não múltiplo de 3) de bases que muda a leitura de códons, formando novos aminoácidos → mutações espontâneas: - hidrólise = quebra da ligação entre a ribose e a base, gerando um sítio abásico - desaminação, leva ao pareamento errado na replicação, citosina passa a ser timina, amina passa a ser hipoxantina, pareando com C. A desaminação pode ser acelerada pelo HNO2 (ácido nitroso), derivado de embutidos. - inserção ou deleção de bases por deslizamento da DNA polimerase (quando tem bases repetidas) - modificações tautoméricas (equilíbrio de isômeros das bases), causam erros de pareamento → induzidas = danos causados por agentes químicos ou físicos (raio X, UV) ↪ Teste de Ames = Salmonella mutante que não sintetiza histidina são expostas aos agentes a serem testadas, se a célula passar a crescer sem histidina a mutação é comprovada. → agentes químicos = - Agentes que causam desaminação de bases (ácido nitroso) - Espécies reativas de oxigênio e nitrogênio = geram oxo-guanina por estresse oxidativo, pareia com a adenina ao invés da citosina - Agentes alquilantes = modificam as bases por adição de grupos metila ou outros radicais - Análogos de base = causam bloqueio na replicação pelo impedimento do pareamento ou ausência de 3’ OH livre. São usado como antivirais ou quimioterápicos - Agentes intercalantes = causam a inserção ou a deleção de bases entre a dupla fita distorcendo-a. → físicos: - UV = induz dímeros de pirimidinas, Ligações covalentes entre bases adjacentes ↪ Dímeros de timina causam alteração na estrutura da dupla-hélice que podem levar ao bloqueio da replicação, DNA polimerase não consegue passar ↪ produtos de degradação da melanina causam formação dímeros de timina mesmo após a exposição ao sol → Mecanismos de reparo reparo eficiente = estabilidade genética ineficiente = instabilidade, gerando câncer e doenças hereditárias ou mutações para a evolução Atividades enzimáticas necessárias para o reparo de DNA → Nucleases = cortam uma ligação fosfodiéster → Helicases = quebram ligações de hidrogênio entre as fitas → DNA polimerases = adicionam nucleotídeos,podem ter atividade de exonuclease → DNA ligase = religa quebras (fosfodiéster) em uma fita → DNA glicosilases = Quebram a ligação glicosídica entre base e desoxirribose, é específica para cada base alterada → Tipos de sistemas de reparo: - mismatch repair = acontece logo depois da replicação, erros corrigidos na fita nova e mantém o molde, as diferencia por metilação da fita velha - Reparo por excisão de base (BER) = remove bases estranhas do DNA ↪ DNA glicosilases – Retiram a base modificada – específicas para cada modificação ↪ AP endonuclease – Quebra ligação fosfodiéster a 5’ do sítio AP ↪ DNA polimerase I – Adiciona novos nucleotídeos a partir do 3’OH livre criado pela AP endonuclease ↪ DNA ligase – Sela a fita - Reparo por excisão de nucleotídeo (NER) = detecta e repara mudanças estruturais do DNA, como dímeros de timina ou adutos volumosos ↪ xeroderma pigmentoso e síndrome de Cockayne - Reparo direto = ↪ Foto-reativação enzimática de dímeros de timina = Fotoliase = quebra as ligações entre os dímeros; ativada por luz visível; ausente apenas em mamíferos placentários ↪ Remoção de grupos alquil das bases = O6 – metilguanina DNA metiltransferase = transfere grupo metil da mG para uma cisteína em sua estrutura; Reação não se reverte e a proteína é degradada - Reparo por síntese translesão (SOS) = resposta a estresse ↪ ativado por lesões que impedem a replicação, DNA polimerase da família Y (passível de erro) incorpora nucleotídeos aleatórios, estimulando a replicação. Fonte de variabilidade genética (resistência a antibióticos) - Reparo por recombinação = supera bloqueios de replicação, depende de uma molécula de DNA homóloga que serve como molde Exercícios 1. Cite exemplos de danos no DNA causadas por: a. agentes químicos desaminação b. oxidação por espécies reativas de oxigênio oxo-guanina c. radiação ultravioleta. dímeros de pirimidinas 2. Descreva o teste simples que usa uma linhagem da bactéria Salmonella e permite que compostos químicos sejam testados quanto à sua capacidade de aumentar a frequência de mutações. Uma linhagem mutante de Salmonella que não sintetiza histidina é colocado em uma placa de petri e no meio dessa placa é colocado um papel de filtro com o composto a ser testado. Se esse composto for mutagênico, este induzirá que essa linhagem mutante cresce decido a mutações que permitem a sintetização de histidina. 3. Qual a diferença entre dano (ou lesão) no DNA e mutação? O dano ou lesão são erros que acontecem durante a replicação, de maneira espontânea, ou são induzidos por agentes químicos ou físicos e serão reparados pelos mecanismos de reparação. Já a mutação é quando o dano ou lesão não foi reparado de maneira eficiente, se tornando permanente, podendo ser transmitido às novas gerações. 4. Descreva os efeitos que diferentes tipos de mutações em uma sequência codificadora podem ter na sequência do produto proteico. silenciosa = não afeta o aminoácido codificado missense = troca de aminoácido nonsense = troca por um códon de parada, impedindo a tradução mudança de quadro de leitura = inserção ou deleção (não múltiplo de 3) de bases que muda a leitura de códons, formando novos aminoácidos 5. Faça um esquema da replicação de uma molécula de DNA onde um resíduo de adenina sofreu desaminação. Se não houver reparo, qual será o efeito nas moléculas “descendentes”? Que tipo de composto pode aumentar a frequência deste dano/mutação? Mudará o quadro de leitura devido a uma nova base, gerando um novo padrão de leitura de pareamento dos aminoácidos. Agentes químicos estimulam esse tipo de lesão. 6. Como cada um dos danos listados no exercício 1 pode ser reparado? Uma tabela comparativa dos mecanismos pode ajudar na compreensão dos diferentes cenários. Descreva os mecanismos, incluindo as enzimas envolvidas. desaminação = Reparo por excisão de base (BER) oxo - guanina = dímeros de timina = Reparo por excisão de nucleotídeo (NER) 7. Considerando os sistemas de reparo do DNA, responda: a. Sendo que U pareia com A tão bem quanto T pareia com A, por que somente T é encontrado no DNA? A Timina apenas se liga à desoxirribose b. 5-metil-citosina é frequentemente encontrada no DNA de vertebrados e plantas. Nessas mesmas células, um sistema especializado de reparo reconhece o mau-pareamento (mismatch) G-T e o repara para G-C. Qual é a lógica desse reparo? Por que não é vantajoso que o par G-T seja reparado para A-T? (dica: faça esquemas como o solicitado no exercício 5 para ajudar a visualizar o que acontece) O MMR inicia-se quando MutS liga-se aos nucleotídeos inseridos erroneamente na cadeia recém-sintetizada, formando um complexo MutS-DNA. Em uma reação dependente de energia, o complexo MutS-DNA interage com as proteínas MutL. A interação entre os complexos MutL e MutS ativa a endonuclease MutH, responsável pela clivagem da cadeia danificada e inicio dos mecanismos de reparo do DNA, com a consequente substituição dos nucleotídeos incorretos. O gap, por sua vez, atua como ponto de inserção da helicase, que separa as fi-tas, sendo as exonucleases responsáveis pela deleção dos nucleotídeos na região contendo o mismatch. 8. Para que o mecanismo de reparo de mal-pareamento (mismatch repair) seja efetivo, é necessária a identificação das fitas parental e recentemente sintetizada. Como isso é feito em E. coli? A fita antiga sofre metilação após a replicação, o que torna possível diferenciar da fita nova, que não sofreu metilação. 9. O que é necessário para que o reparo por recombinação homóloga ocorra em E. coli? É necessário de uma molécula de DNA homóloga sirva como molde 10. Veja os links disponíveis no e-disciplinas e leia a reportagem da revista Wired “DNA-repairing sunscreen: legit or not?” (https://www.wired.com/story/dna-repairing -sunscreen-legit-or-nah/) sobre o uso de enzimas de reparo de DNA em cosméticos para evitar câncer de pele. Na visão de um farmacêutico (ou outro profissional de saúde), qual seria a “lógica molecular” desse tipo de produto? O que ainda falta para que produtos desse tipo possam ser usados com sucesso em casos de XP como o de Araras, em Goiás (https://www.bbc.com/portuguese/brasil459 75890; http://revistapesquisa.fapesp.br/2012/09/14 /luta-contra-o-sol/), ou mesmo para a população em geral? (Atenção: mesmo contendo várias citações de artigos científicos, o artigo da Wired usa o termo “genetic code” de maneira equivocada. Explique!).
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