Aula_Estr_Topo_cromatina 1_2019

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Estrutura e 
Topologia 
de Ácidos 
Nucleicos 
Biologia Molecular 
Termo cunhado pelo matemático Warren Weaver em 1938 
(1894 – 1978) 
Biologia Molecular: definições 
• “O estudo bioquímico das bases genéticas do 
fenótipo.” 
 
• “Ramo da Biologia que trata da formação, estrutura e 
função das macromoléculas essenciais à vida, como 
ácidos nucleicos e proteínas e, especialmente, seus 
papéis na replicação e transmissão da informação 
genética.” 
 
• “É o estudo das bases moleculares dos processos de 
replicação, transcrição, tradução e função celular.” 
 
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Biologia Molecular 
Breve histórico 
 Frederick Griffith (1928): Princípio Transformante 
 
 Avery, MacLeod & McCarty (1944): Princípio Transformante era o DNA 
 
 Erwin Chargaff et al. (1947): determinou a composição de bases A, T, C, G de 
vários organismos 
 
 Rosalind Franklin & Maurice Wilkins (ca. 1950): Difração de raios X revelou uma 
padrão de periodicidade e largura uniforme para o DNA 
 
 Hershey-Chase (1952): DNA é o material genético do fago T2 
 
 Watson & Crick (1953): modelo para a estrutura do DNA 
 
 Fraenkel-Conrat et al. (1957): RNA é o material genético do Tobacco Mosaic 
Virus (TMV) 
 
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/25/Schematic_relationship_between_biochemistry%2C_genetics_and_molecular_biology.svg
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Fraenkel-Conrat et al. (1957): RNA é o 
material genético do Tobacco Mosaic 
Virus (TMV) 
 
O conteúdo de bases do DNA: 
Erwin Chargaff (1947) 
Regras de Chargaff 
 Primeira Regra de Chargaff 
 
No DNA natural, A=T e C=G  A+G = C+T (Pu = Py) 
 
 
 Segunda Regra de Chargaff 
 
A composição de bases varia entre as espécies 
 
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Rosalind Franklin & Maurice 
Wilkins (ca. 1950): 
Cristalografia de Raios X 
A “foto 51” 
"The instant I saw the picture my mouth fell open and 
my pulse began to race." James D. Watson (1968) 
Raymond Gosling 
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Modelo de tripla hélice (1953) 
Watson e Crick e o modelo para a estrutura do DNA 
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25 de abril – “Dia do DNA” 
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Watson celebra 60 anos da descoberta 
da estrutura do DNA (2013) 
O “Dogma Central” da Biologia Molecular 
Enunciado por Francis Crick, em 1958 
 
Trata do fluxo de informação para a produção de proteínas 
Hipóteses iniciais 
Em 1970: 
Linhas inteiras: vias comprovadas 
Linhas pontilhadas: vias prováveis 
Classes de transferência de informação 
E os prions??? 
 
 
Geral Especial Desconhecido 
DNA → DNA RNA → DNA proteína → DNA 
DNA → RNA RNA → RNA proteína → RNA 
RNA → proteína DNA → proteína proteína → proteína 
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Extended_Central_Dogma_with_Enzymes.jpg
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Perguntas 
Por que o fluxo de informação termina nas 
proteínas ? 
 
Os príons desafiam o dogma central? 
Estrutura e composição do DNA e 
RNA 
DNA 
(ácido desoxirribonucleico) 
 
• Geralmente é dupla fita (duplex): dsDNA 
• DNA fita simples (ssDNA). Exe.: fagos ΦX174, S13, 
M13, parvovírus 
• Mais estável quimicamente que o RNA 
• Função: informacional 
 
Convenção 
ssDNA = single-stranded DNA (fita simples) 
dsDNA = double-stranded DNA (fita dupla) 
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Primeira foto do DNA 
(Nanoletters, 2012) 
 
7 dupla-hélices alinhadas 
DNA para estocar dados 
(Science, março de 2017) 
Capacidade de estocagem: 215 petabytes (215 milhões gigabytes) / grama DNA 
RNA 
(ácido ribonucleico) 
 
• Geralmente fita simples (ssRNA) 
• RNA fita dupla (dsRNA), Exe: reovírus 
 
 
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Funções do RNA 
 
• Informacional: mRNA (pouco estável), RNA de vírus 
• Transferência de informação: tRNA 
• Estrutural: rRNA (ribossomo) 
• Catalítica: RNAse P, snRNA, rRNA (tradução) 
• Regulatória: Exe: RNA líder (atenuação), RNA I 
(controle do número de cópias de plasmídeos), 
silenciamento gênico (miRNA, siRNA) 
 
 
Classes de RNA 
1) RNA codante: é traduzido em uma proteína 
Exe: mRNA 
 
2) RNA não codante (ncRNA): não é traduzido em uma proteína 
Exe: tRNA, rRNA, snoRNA, miRNA, siRNA, snRNA, long ncRNA, 
ribozimas, RNA circular 
 
3) RNA bifuncional: têm as duas funções 
Exe: alguns miRNA e snoRNA 
 
Abundância: rRNA: ~80%, tRNA: ~15%, mRNA: ~5%, snRNA e 
scRNA: <2% 
 
 
 
RNA´s celulares 
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DNA e RNA 
 
cadeia de polinucleotídeos 
Estrutura geral de um nucleotídeo 
Ribonucleotídeo: 2’-OH 
Desoxirribonucleotídeo: 2’-H 
Ligação glicosídica 
Composição dos nucleotídeos 
1) Açúcar (pentose) 
 
• ribose (-D-ribofuranose): RNA 
• desoxirribose (-D-2´-desoxirribofuranose): DNA 
 
2) Base nitrogenada: ligado ao carbono 1 do açúcar 
 
• Purinas (Pu): adenina, guanina 
• Pirimidina (Py): citosina, timina, uracila 
 
3) Grupo Fosfato: ligado ao carbono 5 do açúcar 
 
Obs: nucleosídeo = açúcar + base nitrogenada 
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O açúcar é uma pentose 
-D-2-deoxirribose 
As bases nitrogenadas: 
precursores das purinas e pirimidinas 
meio imidazólico meio pirimídico 
Pirimidina Purina 
Principais purinas 
e pirimidinas 
presentes nos 
ácidos nucleicos 
Obs: timina = 5-metil-uracila 
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5ª e 6ª bases do DNA: epigenoma 
• 5-metilcitosina e N6-metiladenina 
 
 
 
Obs: 1) A ribotimima (TMP) está presente no tRNA, mas se trata 
de uma modificação pós-transcricional da uracila. 
2) dUMP pode ser incorporado ao DNA in vitro. 
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A ligação glicosídica 
• 2 possibilidades de rotação (Χ): syn e anti 
• Syn (só Pu) 
• Anti (Py e Pu) → mais comum 
 
 
A ligação fosfodiéster 
grupo éster 
Por que ácidos nucleicos? 
caráter ácido 
http://www.answers.com/main/ntquery;jsessionid=1s5fp0ifwd8bf?method=4&dsname=Wikipedia+Images&dekey=PhosphodiesterBondDiagram.png&gwp=8&sbid=lc02b
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Modelo de Watson & Crick para a 
estrutura do DNA: a dupla hélice 
As fitas do DNA são antiparalelas 
Atenção: convenção de escrita: 5´-ACTTAGGACATCATGGAT-3´ 
Interações que estabilizam os 
ácidos nucleicos 
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• Responsáveis pela complementaridade dos pares de bases 
 
• Interações entre um dipolo que tem um próton (doador) e um 
átomo eletronegativo (aceptor) 
 -D-H :::::::: A- 
 
• Interações “Watson-Crick” ou interações “canônicas” = ligações 
de hidrogênio entre as bases nitrogenadas 
 
• Interações “não-canônicas” 
 Exe: A-U = interação “Hoogsteen” (RNA) 
 d- d+ d- 
Ligação de Hidrogênio 
Ligações de hidrogênio nos pares de bases 
Watson & Crick 
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Pareamento das bases nitrogenadas 
Outras Interações 
• Interações de “stacking” ou “empilhamento”: entre 
os anéis de ressonância das bases (elétrons p) 
 
• Interações eletrostáticas: fosfatos desestabilizam 
interações inter(intra)cadeias. Neutralizadas pelos 
íons Na+ 
 
• Interações Van de Walls: hidrofóbicas 
 
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A forma predominante de torção da espiral do 
DNA é para a direita (dextro) 
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Outras formas de DNA 
Um vírus encapsula A-DNA! 
• Vírus SIRV2, que infecta a arqueia hipertermofílica Sulfolobus 
islandicus, empacota o DNA na sua forma A (que só existia em 
laboratório) para protegê-lo do calor 
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Estrutura do RNA 
RNA fita simples 
Branco: bases 
Amarelo: fosfato 
Cinza: ribose e O dos fosfatos 
Estrutura do RNA 
“stem-loop” 
“bulge” 
O ssRNA pode formar estruturas de fita-dupla (A-RNA) 
por complementaridade das bases (stem-loop, hairpin) 
 
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Pseudoknot 
Interação entre regiões descontínuas do RNA 
Estrutura secundária do rRNA 16S 
Stem-loop 
hairpin 
pseudoknot 
bulge 
Estrutura terciária do RNA 
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Estrutura da subunidade maior do ribossomo 
A Hipótese do “Mundo de RNA” 
• Carl Woese (1968) 
• RNA precedeu DNA e proteínas 
• Estoca, transmite e duplica 
informação 
• Atua cataliticamente também! 
• rRNA é remanescente desta época 
em que as proteínas eram feitas a 
partir de RNA 
 
Propriedades Físicas dos Ácidos 
Nucleicos 
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Interação luz-matéria 
 
• A Lei de Lambert-Beer : Absorbância 
 
 
 
 
b 
A = -log (I1/I0) = abc Fonte de 
radiação 
Detector Cubeta 
Bases nitrogenadas absorvem luz na faixa de 260 nm (UV) 
 
Desnaturação de ácidosnucleicos 
 
• Rompimento das ligações de H devido à elevação 
da temperatura, aumento do pH ou pela ação de 
agentes químicos, como a formamida 
 
• Renaturação ocorre pela diminuição gradativa da 
temperatura 
 
 
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/04/Beer_lambert.png
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Topologia do DNA 
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Superenrolamento (“supercoiling”) do DNA = dobra ou curvatura 
do eixo sobre o qual o DNA se enovela. 
 
É uma forma de compactação do DNA 
 
Tipos: 
 
Superenrolamento negativo: torce o DNA na direção oposta das 
voltas da dupla-hélice (mais comum dentro da célula) 
 
Superenrolamento positivo: torce o DNA na mesma direção das 
voltas da dupla- hélice (comum em Archaea) 
 
DNA relaxado → sem superenrolamento 
 
Topologia do superenovelamento 
Topoisômeros 
Topoisômeros = moléculas do mesmo tamanho mas com formas 
diferentes 
 
 cccDNA (forma I): circular covalentemente fechada 
 
 ocDNA (forma II): “open-circle” (após um corte em uma das 
fitas) 
 
 DNA linear: corte nas duas fitas 
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Forma CCC Forma OC 
Topoisomerases 
Topoisomerases: isomerizam uma forma topológica do 
DNA em outra. 
 
Tipos: 
 
Topoisomerases I e III: retiram super-enrolamentos 
negativos 
 
Topoisomerase II (DNA girase): introduz super-
enrolamentos negativos 
Compactação 
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Compactação do DNA 
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Compactação do genoma humano 
1,8 metro x 100 trilhões de células = 
 182 bilhões de km! 
 
Dá para ir e voltar até o Sol 610 vezes! 
Obs: distância Sol-Plutão = 5,9 bilhões km 
 
Ao longo da vida, produzimos 1 ano-luz de DNA, ou 
seja, 9,5 trilhões de km de DNA 
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A Estrutura da Cromatina 
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Cromatina = DNA + proteínas histônicas e não-histônicas 
 
Proteínas histônicas 
• Responsáveis pela organização básica da cromatina 
• Proteínas básicas: H1, H2A, H2B, H3, H4 
 
Proteínas não-histônicas 
• Estão em menor número que as histonas. Estão 
envolvidas em níveis superiores de organização da 
cromatina. 
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Cromatina isolada: “colar de contas” 
Os Nucleossomos 
Complexos de histonas ligados ao DNA 
 
Unidades fundamentais de organização da cromatina 
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DNA enrolado em torno de um 
“core” de nucleossomo 
Fibra de 30 nm ou solenoide 
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Fibra de 10nm 
(Solenóide)