Resumo - Estrutura do DNA - Replicação do DNA - Reparo do DNA - Bioquímica/ Biologia Celular / Genética

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DNA - Estrutura - Replicação - Reparo
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Estrutura Molecular do DNA
Dogma central da biologia molecular:
Esse processo resume a existência da vida e também de inúmeras
enfermidades.
Exemplo dado em aula: Genoma - biblioteca / 46 estantes (cromossomos) -
sendo 23 pares / Cada livro é um gene (livro de uma receita só)→ letras = DNA
Replicação: DNA duplicado
Transcrição: RNA síntese
Tradução: síntese da proteína
Propriedades básicas do material genético
- Capacidade de permitir replicação fiel;
- Possibilidade de sofrer mudanças (mutações);
- Armazenamento das informações biológicas;
- Dois polinucleotídeos torcidos;
- Bases empilhadas no interior da dupla hélice;
- Pontes de hidrogênio e ligações fosfodiéster;
- Filamentos antiparalelos e complementaridade;
Componentes químicos básicos
fosfato + base nitrogenada + açúcar
↓
“Blocos fundamentais do DNA e RNA”
Componentes dos nucleotídeos
Pentose + açúcar + base nitrogenada - possui 5 carbonos;
DNA - ácido desoxirribonucléico (ausência do oxigênio no carbono 2);
RNA - ácido ribonucléico
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Bases nitrogenadas
Purinas - Adenina e Guanina - 2 cadeias fechadas
Pirimidinas - Uracila, Timina e Citosina - 3 cadeias fechadas
*Uracila - somente RNA
*Timina - somente DNA
Base + açúcar = nucleosídeos
Base + açúcar + fosfato = nucleotídeos
● ligação fosfodiéster
extremidade 3’ da cadeia = carbono mais externo
extremidade 5” da cadeia = carbono mais externo
Ao polimerizar, os nucleotídeos serão adicionados sempre na extremidade 3’.
Os nucleosídeos não possuem fosfato - não forma a ligação fosfodiéster,
desta forma eu paro o processo de polimerização - mecanismo de alguns
quimioterápicos.
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DNA - filamentos antiparalelos
A base nitrogenada de um filamento vai formar uma ponte de hidrogênio com
a base de outro filamento; SEMPRE vai ser entre uma PURINA e uma
PIRIMIDINA.
Organização do DNA
Histonas - proteínas em que o DNA se enrola e forma os primeiros
empacotamentos; histonas - proteínas que formam um complexo com o DNA -
cromatina. As cromatinas vão se enovelar em si até formar os cromossomos.
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Eucromatina - parte ativa do DNA para transcrição
Heterocromatina - parte inativa do DNA para transcrição
*Quanto mais empacotada a cromatina, mais difícil de fazer a transcrição.
Replicação do DNA
O DNA é molde das informações que serão utilizadas num organismo;
DNA é permanente nas células (exceto nas hemácias - necessário cuidados na
manutenção e no momento de duplicar esse material genético.
Réplica = cópia fidedigna da fita original. *doenças e tratamentos atuarão em
diversos componentes;
A replicação do DNA é semiconservativa
Célula mãe = fita molde = uma das fitas geradas é pertencente a célula mãe;
As fitas réplicas são criadas a partir da fita molde.
Replicação de DNA em procariotos (bactérias)
- em bactérias, o DNA é circular;
- tem UM ponto de origem de replicação.
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Replicação do DNA nos eucariotos
A replicação requer “múltiplas origens”, devido ao tamanho de seu genoma. A
replicação é bidirecional, em ambas as fitas e simultaneamente.
* Essas múltiplas origens garantem a rapidez do processo, uma vez que nosso
material genético é infinitamente maior que o dos procariotos. Essas múltiplas
replicações caminham em direções opostas; As fitas de DNA são sintetizadas em
direções opostas até se encontrarem. Podem ser centenas até milhares de pontos de
multiplicação.
Mecanismo de Replicação do DNA
Fitas parentais = fitas moldes
cada minuto = mil nucleotídeos são ligados (DNA polimerase faz mil ligações
fosfodiéster);
DNA - Polimerases
- enzimas que vão polimerizar o DNA;
- são em número maior nos eucariotos que nos procariotos; Nos
eucariotos temos em maior quantidade e maior diversidade.
- estrutura tridimensional da DNA-polimerase (parece com uma “mão”).
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Propriedades principais das DNA-polimerases
- são incapazes de quebrar as pontes de hidrogênio que ligam as fitas
de DNA; Necessário outro elemento para abrir as fitas;
- Só alongam uma fita pré-existente. Requerem um modelo e um primer
(segmento de RNA sintetizado pela primase) complementar; Requer o
primer (iniciador) - para identificar o ponto de origem de replicação da
fita;
- Catalisam a adição de um nucleotídeo no radical hidroxil da
extremidade 3’ da cadeia que está se formando. Desta forma, as fitas só
podem crescer no sentido 5’-3’. Adiciona no carbono 3 (extremidade 3’
da cadeia que está se formando); faz ligação fosfodiéster no
nucleotídeo - sempre na extremidade 3’; sempre vai sair do 5’ para o 3’.
- Envolvidos no processo de adição de nucleotídeos e reparo; A DNA
polimerase pode realizar reparos na fita de DNA, ela vai tentar reparar
o problema.
- São formadas por várias subunidades - Esquema “palma da mão” -
dedos / polegar / palma da mão.
Trifosfato
1 fosfato fica na fita - esse fosfato se liga com o oxigênio do carbono 3
do nucleotídeo = ligação fosfodiéster;
2 fosfatos são liberados na forma de PIROFOSFATO - a energia da
clivagem dos fosfatos é usada para fazer a ligação fosfodiéster;
Hidrólise do pirofosfato fornece energia para a síntese de DNA.
➥Ataque do fosfato 𝛼 do dNTP que será incorporado na extremidade 3’
causa a liberação de uma molécula de pirofosfato;
dNTP d = desoxi
NTP = nucleotídeo (usado p/ não escrever os 4 tipos: dATP/dGTP/dCT/dTTP)
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Funções da DNA polimerase / atuação
A DNA polimerase é uma enzima discriminatória e “fiel” ao seu papel = ela só
vai adicionar os nucleotídeos corretos e da forma correta seguindo os
seguintes passos:
1º) a DNA polimerase só adiciona o nucleotídeo correto para a ligação;
A com T bases complementares
uma PURINA SEMPRE se liga a uma PIRIMIDINA
G com C
“Quem” chega das bases nitrogenadas tem que fazer PONTES DE
HIDROGÊNIO com a outra base da fita molde;
↳ se não formar ponte de hidrogênio, não formará ligação fosfodiéster que a
DNA polimerase promoverá;
↳ os aminoácidos discriminadores são os componentes estruturais da DNA
polimerase responsáveis por essa tarefa de ver se teve ponte de hidrogênio
ou não.
2º) Conferir se o nucleotídeo que fez a ponte de hidrogênio é de DNA ou RNA;
↳ Tem hidroxila ou não no carbono??
DNA - não tem oxigênio no carbono 2 (desoxi);
RNA - ribose - tem o oxigênio no carbono 2;
PROVA - a DNA polimerase se liga a dois íons (Mg +²ou Zn+²) que alteram o
ambiente ao redor do dNTP que está pareando. Pergunta: se eu remover os
íons metálicos, o que acontece? o íon metálico “puxa” o oxigênio do fosfato,
possibilitando a ligação fosfodiéster;
O íon A interage com a hidroxila do 3’ reduzindo a afinidade entre o oxigênio e
o hidrogênio; O íon B interage com o dNTP neutralizando cargas negativas e
estabilizando o pirofosfato. Sem os íons metálicos não há ação da polimerase.
O oxigênio vai estar “aderido” ao fosfato e não vai permitir a ligação
fosfodiéster.
3º) Região que verifica se a ligação fosfodiéster foi correta - há certos
nucleotídeos que podem ser comportar como outro nucleotídeo por
influência de tautômeros (reativos do oxigênio).
Essa mudança de comportamento pode ser uma fração de segundos e fazer
a incorporação errônea de um nucleotídeo;
Cigarros; conservantes; agrotóxicos; metais pesados podem atrapalhar a
verificação do nucleotídeos pela DNA polimerase.
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*sítio ativo da exonuclease - se o nucleotídeo for errado, o processo vai parar
e a DNA polimerase vai retornar para retirar o nucleotídeo errôneo;
DNA polimerase - ação polimérica - sentido 5’ - 3’
DNA polimerase - ação exonucleásica - sentido 3’ - 5’
↳ (exonucleásica - comporta como enzima de clivagem - de retirada)
DNA polimerase SEM exonucleásica : 1 dNTP errado a cada 10⁵ dNTPs
COM exonucleásica: 1 dNTP errado a cada 10⁷ dNTPs
Sistema de Reparo pós-replicação:
1 dNTP errado a cada 10¹⁰ dNTPs
**esse sistema de reparos melhora a quantidade de “acertos”;
PROVA! - Pergunta: o que pode ocorrer seeu mutar uma DNA polimerase
retirando a ação exonucleásica? aumenta a chance de mutações e
consequentemente a manifestação de doenças;
Maquinaria de replicação__________________________________________________________
Helicase
- DNA helicase vai romper as pontes de hidrogênio abrindo as fitas de
DNA;
- consequência molecular numa mutação dessa enzima? PROVA! não tem
replicação, uma vez que sem abrir as fitas, a maquinaria não tem como
se acoplar nas fitas moldes. A consequência celular: não vai ter
multiplicação celular; a célula vai morrer.
- A DNA helicase utiliza ATP para afastar as pontes de hidrogênio das
bases nitrogenadas, ao romper essas ligações, as fitas moldes se
separam.
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Primase
- É uma enzima RNA polimerase especializada em sintetizar pequenos
iniciadores de RNA (5-10 nucleotídeos);
- Primase (enzima iniciadora) - “Primer” - identifica a origem de replicação
e sintetiza o primer iniciador;
- Essa enzima é uma RNA polimerase, esse iniciador é feito de RNA
(nucleotídeo de RNA);
- O primer vai sinalizar o caminho da DNA polimerase, posteriormente
ele será removido.
- A primase se encaixa quando as fitas já estão abertas;
Proteína SSB (Single Strand Binding)
- mantém o DNa alongado e as bases descobertas para o pareamento;
- as bases nitrogenadas tendem a se reconectar se ficarem sem ligantes
após o rompimento das pontes de hidrogênio;
- a SSB vai manter essa fita simples e deixar o caminho para a DNA
polimerase se conectar;
Mecanismo de replicação do DNA
- a síntese de DNA é feita da direção 5’-3’ e é semi-descontínua;
- DNA polimerase liga no carbono 3’ e vai caminhando sempre no sentido
5’-3’;
- Semidescontínua → as fitas são antiparalelas;
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Primase
a) faz um primer 5’-3’
b) depois faz outro primer 3’-5’ (“salta” um espaço - fita descontínua)
c) DNA polimerase volta preenchendo o espaço no sentido 5’-3’;
Fragmentos de OKazaki - segmentos de DNA produzidos durante a
replicação; mais tarde essas lacunas serão preenchidas, formando uma única
fita.
RNAse H
- enzima que vai clivar (quebrar) os primers de RNA que deram o ponto
de origem da replicação;
↓
- A DNA polimerase vai sintetizar as “lacunas” com os nucleotídeos, porém
ela não conecta os fragmentos residuais;
↓
- A DNA ligase vai fazer a conexão final da fita, tornando-a fita contínua,
sem lacunas; termina a ligação fosfodiéster.
A abertura das fitas pode causar tanta tensão a ponto de romper as fitas;
para evitar isso tem-se a TOPOISOMERASE II (a qual quebra as duas
fitas de DNA e deixa o material genético se desenrolar dentro dela - alivia a
tensão - e depois liga as fitas novamente.
PROVA! O que aconteceria em uma mutação da topoisomerase II? Numa
resposta primária: aumento da tensão das fitas do DNA e consequente
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quebra; Consequência secundária: perda de material genético e mutações; a
consequência celular = morte celular ou mutações em genes (câncer);
Topoisomerase I - Vai clivar em UMA das fitas as ligações fosfodiéster; essa
fita vai desenrolar; libera a tensão, mas em quantidade menor.
Topoisomerase I - específica
Topoisomerase II = geral (ambas as fitas de DNA)
E as histonas? Algumas enzimas vão retirar e incorporar as histonas durante
a fase de replicação.
Telomerase
- temos sequência final de DNA para evitar que ele fique mais curto a
cada replicação;
- esse final adicionado não tem um “valor genético” e pode ser perdido
sem causar danos às células;
- a telomerase vai adicionar telômeros (sequência repetida) na cadeia do
DNA, para não ocorrer encurtamento cromossômico, protegendo as
extremidades;
- a telomerase possui um primer interno;
Ação da Telomerase
a) não necessita de molde (DNA ou RNA);
b) RNA telomérico serve como molde;
c) telomerase estende o final do 3’ do telômero;
d) processo de preenchimento é repetido várias vezes;
*Envelhecimento (genômico e celular):
- encurtamento dos telômeros
- telomerase se “desgasta” conforme os ciclos vão ocorrendo;
- extremidade cromossômica começa encurtar;
- perde informação genética importante - morte celular;
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Reparo do DNA
Danos no DNA
- reparos são feitos para minimizar os danos;
- durante a replicação, os danos são reparados pela ação exonucleásica
da DNA polimerase;
- alterações aleatórias: calor, radiações, metabólitos, substâncias
ambientais; somente 1:1000 é reparado; é permanente devido às ações
dos sistemas de reparo.
Os mecanismos de reparação funcionam 24h / 7 dias da semana para poder corrigir as
falhas; alguns estarão mais ativos ou inativos de acordo a fase da vida celular;
A exonucleásica promove 1 nucleotídeo errado a cada 10⁷.
Sistema de reparo pós replicação: 1 errado a cada 10¹⁰; ativo durante toda a vida celular,
porém mais acentuada atividade após a replicação.
A maioria das DNA polimerases participam de mecanismos de reparo;
BRCA-1 e BRCA-2 são genes de reparo; mutações nesses genes são ligados ao câncer de
mama, próstata, ovário etc.
Calor - aumento da temperatura pode alterar estruturas de proteínas;
Radiação - raios UV;
Metabólitos - reativos do oxigênio (estresse oxidativo);
Substâncias ambientais - cigarros, pesticidas;
Alterações espontâneas aleatórias: dano oxidativo / ataque hidrolítico /
metilação;
⤸
As alterações podem ocorrer em diversos pontos dos nucleotídeos; essa alteração
terá um efeito - pode ser efeito deletério ou alterar funções celulares;
Desaminação - substituição por uma uracila; devido a retirada do
grupo amina da citosina;
UV - DNA - dímero de pirimidinas ( o raio UV induz uma ligação das
timinas de forma muito estável; A polimerase vai enxergar como se fosse
apenas UMA base nitrogenada ⟶ alteração estrutural - mecanismo de
reparo são ativados.
Principais mecanismos de reparo do DNA
Há um processo de “inspeção” da fita de DNA na busca de alterações, ao
identificá-las, os mecanismos de reparo serão ativados;
a) Reparo por excisão de bases
- em um único nucleotídeo alterado;
- retira a base nitrogenada;
- retira o restante do nucleotídeo;
- insere a base correta;
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- trata-se de uma correção pontual.
b) Reparo de excisão de nucleotídeo
- problema em mais de um nucleotídeo;
- retira um trecho inteiro da porção mutada;
- preenche o espaço com novas bases;
- retirada com “margem de segurança” - partes adjacentes são
retiradas para garantir que a mutação foi retirada;
c) Junção de extremidades não homólogas
- quebras das fitas de forma acidental;
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- sistema emergencial;
- cliva as duas fitas (retira o trecho danificado - tem uma deleção
do DNA);
- une-se as fitas para tentar manter a integridade;
- se não for consertado rapidamente, a célula morre;
- mecanismo usado para a célula “tentar sobreviver”.
d) Recombinação homóloga
- quebra das fitas;
- na fase de replicação celular (cromátides irmãs pareadas);
- uma cromátide com defeito;
- outra cromátide irmã é usada de molde na reparação;
- não há perda de material genético;
Envelhecimento e alterações mutagênicas
Com o passar dos anos vão se acumulando mutações;
Essas mutações vão atingindo os genes;
Sistema de duplicação e reparos não são perfeitos
↓
Genoma vai acumulando mutações aleatórias
↓
Essas mutações vão atingir genes importantes
+ perda de atividade da telomerase
______________________________________________________
célula vai morrer
*Fatores ambientais (cigarro, álcool, metais pesados) - aumentam o número de consertos, excedendo a
capacidade de sistema reparador;
*Pré-disposição a doenças - capacidade de reparo de mutações varia de indivíduo para indivíduo;