Aula 03 - Estrutura dos Ácidos Nucléicos

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Estrutura dos 
Ácidos Nucléicos 
Aspectos Moleculares 
& 
 Enfoques Conceituais 
HISTÓRICO DA BIOLOGIA MOLECULAR 
 1866: Gregor Mendel 
HISTÓRICO DA BIOLOGIA MOLECULAR 
 1869 → Johann Friedrich 
Miescher 
 
# Buscava determinar os componentes 
químicos do núcleo celular. 
 
# Usava os glóbulos brancos contidos no 
pus para suas pesquisas (células que 
apresentam núcleos grandes e fáceis de 
serem isolados do citoplasma). 
 
# Descobriu a presença de um composto de 
natureza ácida desconhecido até o 
momento (rico em fósforo e em 
nitrogênio, desprovido de enxofre e 
resistente à ação da pepsina - enzima 
proteolítica)) → nucleína 
HISTÓRICO DA BIOLOGIA MOLECULAR 
 1880 → Albrecht Kossel 
 
# Demonstrou que a nucleína continha 
bases nitrogenadas em sua estrutura. 
 
 
1889 → Richard Altmann 
 
# Obteve nucleína com alto grau de pureza, 
comprovando sua natureza ácida e dando-
lhe o nome de ácido nucléico. 
HISTÓRICO DA BIOLOGIA MOLECULAR 
 1900: Hugo de Vries, Erich von Tschermak e Carl Correns 
Redescoberta de Mendel 
Leis da Hereditariedade 
Leis de Mendel 
HISTÓRICO DA BIOLOGIA MOLECULAR 
 1928: Frederick Griffith:Transformação 
HISTÓRICO DA BIOLOGIA MOLECULAR 
HISTÓRICO DA BIOLOGIA MOLECULAR 
 1944: Avery, MacLeod e MacCarty: Princípio transformante 
HISTÓRICO DA BIOLOGIA MOLECULAR 
 1953: Alfred Hershey e Martha Chase 
DNA  32P 
Proteína  35S 
HISTÓRICO DA BIOLOGIA MOLECULAR 
 1953: James Watson e Francis Crick 
Maurice Wilkins e Rosalind Franklin 
DNA → INTRODUÇÃO 
• Entre todas as propriedades dos organismos vivos, a capacidade de 
auto-replicação é fundamental. 
 
• Conter a informação genética significa armazená-la, transmiti-la ao 
longo das gerações, e expressá-la na forma de proteínas. 
 
• Avanços significativos tem sido alcançados na área da Biologia 
Molecular a partir do isolamento, análise e síntese de seqüências de 
DNA. 
 
• DNA recombinante → estudos de função e dos mecanismos que 
controlam a expressão gênica 
 
ÁCIDO NUCLÉICO → PROTEÍNA 
DNA → INTRODUÇÃO 
DNA → INTRODUÇÃO 
Autossomos x Sexuais 
99% 
1% 
GENOMA HUMANO 
Nucleotídeo 
DNA 
Cromossomo 
Genoma 
GENOMA HUMANO 
rRNA 
Ribossomos 
snRNA RNP 
tRNA AA 
mRNA 
Proteína 
DEFINIÇÃO DE GENE 
Pentose (Açúcar) 
Ribose 
-D-Ribofuranose 
OH 
- 
R 
2’-Desoxirribose 
-D-2-desoxirribofuranose 
H 
ESTRUTURA PRIMÁRIA DO DNA 
PURINAS 
Bicíclicas 
PIRIMIDINAS 
Monocíclicas 
Adenina = Timina Guanina  Citosina 
 Uracil 
Purina Adenina Guanina 
Pirimidina Citosina Uracil Timina 
Bases Nitrogenadas = Anéis Aromáticos Heterocíclicos 
ESTRUTURA PRIMÁRIA DO DNA 
PIRIMIDINAS 
Curiosidade sobre as Bases Nitrogenadas 
Uracil Timina 
5-Metiluracil 
ESTRUTURA PRIMÁRIA DO DNA 
Posições dos Átomos 
Grupamento Fosfato 
Bases Nitrogenadas 
Pentose 
ESTRUTURA PRIMÁRIA DO DNA 
ESTRUTURA PRIMÁRIA DO DNA 
Nucleotídeo 
Nucleosídeo 
   
Nucleosídeo 
   
(2’-) Desoxirribonucleotídeo 
Ribonucleotídeo 
Grupamento Fosfato = Ésteres de Fosfato 
- 
Monofosfato 
- 
Difosfato 
- 
Trifosfato 
5’-Difosfato de Adenosina - ADP 
5’-Difosfato de Desoxiadenosina - dADP 
5’-Trifosfato de Adenosina - ATP 
5’-Trifosfato de Desoxiadenosina - dATP 
5’-Monofosfato de Adenosina - AMP 
5’-Monofosfato de Desoxiadenosina - dAMP 
ESTRUTURA PRIMÁRIA DO DNA 
Grupamento Fosfato = Ésteres de Fosfato 
ESTRUTURA PRIMÁRIA DO DNA 
Bases Nitrogenadas 
ESTRUTURA PRIMÁRIA DO DNA 
5’AACGTTGCTATCGT3’ 
5’  3’ 
Base 
Base 
Base 
Sentido da Fita de DNA 
ESTRUTURA PRIMÁRIA DO DNA 
ESTRUTURA PRIMÁRIA DO DNA 
Grupo Ceto (C=O) e Amino (C-NH2) 
Chargaff 
Relação Molar (1949) 
A 
T 
= 1,0 
C 
G 
= 1,0 
AT = CG (?) 
(A+G) = (T+C) 
Bases Nitrogenadas 
ESTRUTURA PRIMÁRIA DO DNA 
Ligações Fosfodiéster 
Ligação (-) Glicosídica (Glicosílica) 
Ligações Importantes 
ESTRUTURA PRIMÁRIA DO DNA 
Ligações Covalentes 
Sítios Hidrofóbicos 
Sítios Hidrofílicos 
Forças de Van der Walls 
Pontes de 
Hidrogênio 
Interações Iônicas (Mg+2) 
Estabilidade do DNA: Integridade e Flexibilidade 
DUPLA-HÉLICE DO DNA 
DESNATURAÇÃO E RENATURAÇÃO 
• Fenômenos físicos que ocorrem com o DNA 
dupla-hélice fundamentais para os processos 
de replicação, transcrição e recombinação. 
 
 
• DESNATURAÇÃO → rompimento das 
pontes de hidrogênio entre as cadeias 
complementares do DNA. 
 
 
• RENATURAÇÃO → ligamento das pontes de 
hidrogênio entre as cadeias complementares 
do DNA. 
 
• Esses processos podem ser observados in 
vitro 
DESNATURAÇÃO E RENATURAÇÃO 
A desnaturação da estrutura secundária do DNA pode ser obtida através 
dos seguintes mecanismos: 
 
→ aumento de temperatura 
→ titulação com ácidos ou álcalis (protonizam ou desprotonizam os anéis 
aromáticos) 
→ agentes desnaturantes (formamida) 
 
# Tais tratamentos geram grupos carregados no interior da dupla-hélice 
(levando ao rompimento das pontes de hidrogênio entre as bases 
complementares). 
Efeito 
Hipercrômico 
DESNATURAÇÃO E RENATURAÇÃO 
A desnaturação do DNA pode ser acompanhada pela medida em espectrofotômetro de 
absorbância de luz ultravioleta (UV). 
DESNATURAÇÃO E RENATURAÇÃO 
A temperatura necessária para a desnaturação de um dado DNA está 
diretamente relacionada com sua seqüências de pares de bases. 
Adenina = Timina Guanina  Citosina 
 Uracil 
Tm (oC) = 69,3 + 0,41(GC%) 
• Em condições fisiológicas, a dupla-hélice é 
muito estável. 
 
• Para que estes processos ocorram há a 
necessidade da participação de enzimas 
especializadas (DNA-helicases e SSBs) 
Rompimento das Pontes de Hidrogênio 
Tm (oC) = 69,3 + 0,41(GC%) 
T (anelamento) (oC) = Tm – 25oC 
DESNATURAÇÃO E RENATURAÇÃO 
DESNATURAÇÃO E RENATURAÇÃO 
• Mesmo quando as duas fitas do DNA estão completamente separadas, 
o processo pode ser revertido. 
 
• Se uma solução contendo DNA desnaturado por calor for lentamente 
resfriada, as fitas complementares reassociam-se. 
T (anelamento) (oC) = Tm – 25oC 
• No início, a renaturação ocorre lentamente. Porém, à medida que as 
bases complementares se associam, a velocidade do processo aumenta. 
 
• Resfriamentos abruptos colapsam a renaturação 
 
# Quanto maior a complexidade do genoma, maior será o tempo de sua 
renaturação. 
DESNATURAÇÃO E RENATURAÇÃO 
DUPLA-HÉLICE DO DNA 
As ligações glicosídicas no DNA, por não estarem diretamente opostas na 
dupla-hélice, geram duas cavidades desiguais em seu contorno: 
 
→ cavidade maior 
→ cavidade menor 
 
# Nestas regiões, as bases estão expostas ao meio solvente. 
 
# Moléculas que agem com seqüências específicas de bases (proteínas) 
podem identificar estas seqüências sem romper a estrutura da dupla-
hélice. 
Antiparalelas 
DUPLA-HÉLICE DO DNA 
0.34 nm 
Cavidade 
Menor 
Cavidade 
Maior 
Volta 
Cavidades Maior e Menor 
DUPLA-HÉLICE DO DNA 
Cavidades Maior e Menor 
DUPLA-HÉLICE DO DNA 
Cavidades Maior e Menor 
DUPLA-HÉLICE DO DNA 
TIPOS DE DNA 
O DNA pode assumir diferentes conformações, dependendo da sua 
composição de bases e do meio em que se encontra 
 
→ DNA A 
→ DNA B 
→ DNA ZTipo A → forma mais abundante encontrada na célula (forma de dupla-
hélice clássica) 
 
Tipo B → formado a partir da desidratação ou diminuição do teor de sal 
no meio em que se encontra o Tipo A. 
TIPOS DE DNA 
Tipo Z → encontrado, aparentemente, em apenas algumas regiões do DNA 
Tipo B ou Tipo A. 
 
# Fatores que estabilizam sua formação: 
 
→ metilação ou bromação de bases 
→ estresse torcional 
→ ligação de proteínas específicas ao DNA 
 
• Alterações nas conformações podem facilitar ou dificultar a interação do 
DNA com proteínas. 
TIPOS DE DNA 
 DNA B DNA A DNA Z 
TIPOS DE DNA 
TIPOS DE DNA 
 DNA B DNA A DNA Z 
Conformação anti e syn 
C2’-endo 
C3’-endo 
DNA B DNA A 
DNA Z 
Etanol 75% 
 [Sal] 
Dupla RNA 
Metilação ou Bromação 
 Umidade 
Relativa (92%) 
DESNATURAÇÃO E RENATURAÇÃO 
Principais características dos DNAs A, B e Z 
CARACTERÍSTICAS FORMA A FORMA B FORMA Z 
Sentido helicoidal 
(Giro) 
Direita Direita Esquerda 
Diâmetro (nm) ~2,6 ~2,0 ~1,8 
Pb por giro (n) 11 10 12 
Espaço entre as 
bases (nm) 
0,26 0,34 0,37 
Inclinação da base 20o 6o 7o 
Sulco maior Estreito/Profundo Largo/Profundo Achatado 
Sulco menor Largo/Raso Estreito/Profundo Estreito/Profundo 
Ligação glicosídica anti anti anti(pir) sin(pur) 
DESNATURAÇÃO E RENATURAÇÃO 
RNA x DNA 
H 
H 
H 
H 
RNA x DNA 
RNA mensageiro (mRNA) 
Fim da 
mensagem 
Sinal de ligação ao 
Ribossomo 
Códon de 
Iniciação 
(Start Códon) 
Início da Transcrição 
Hairpin 
AAAAA 
CAU 
AGGAGGU 
AUG 
RNA transportador (tRNA) 
RNA ribossomal (rRNA) 
OUTROS RNAs 
hnRNA 
snRNA snRNA 
RNA DE INTERFERÊNCIA (RNAi) 
Andrew Fire e Craig Mello 
Premio Nobel de Medicina 2006 
O DNA nem sempre está na forma de um bastão de dupla-hélice (linear). 
 
# Quando as duas extremidades de um DNA ligam-se covalentemente, 
formam-se as chamadas estruturas circulares. 
FORMAS DE DNA E SUPERTORÇÃO 
Linear x Circular 
Plamídeos e Vírus 
FORMAS DE DNA E SUPERTORÇÃO 
• Além da estrutura secundária da 
dupla-hélice, o DNA assume uma 
conformação tridimensional 
supertorcida. 
 
 
# A dupla-hélice enrola-se sob si 
mesma (extremamente importante 
nos processos de replicação, 
transcrição, recombinação e 
expressão gênica). 
FORMAS DE DNA E SUPERTORÇÃO 
Supertorções 
FORMAS DE DNA E SUPERTORÇÃO 
Estrutura Supertorcida, Superenrolada ou Super-hélice 
A 
B 
C 
Grau de superenrolamento crescente 
A: Relaxada 
B: Superenrolamentos parciais 
C: Totalmente Superenrolado 
T
o
p
o
is
ô
m
e
ro
s
 
FORMAS DE DNA E SUPERTORÇÃO 
• Plectonêmico → DNA em solução. 
 
• Toroidal → DNA enrolado em proteínas (histonas), para formar os 
nucleossomos. 
 
 
# O desenrolamento das hélices pode induzir à formação de estruturas 
criciformes, triplex ou DNA Tipo Z. 
FORMAS DE DNA E SUPERTORÇÃO 
Tipos de Superenrolamentos 
Tipos de Superenrolamentos 
Plectonêmico 
Toroidal 
Solução 
Histonas 
FORMAS DE DNA E SUPERTORÇÃO 
FORMAS DE DNA E SUPERTORÇÃO 
 Topoisômeros → moléculas com seqüências e tamanhos idênticos, que 
diferem apenas na sua topologia. 
 
 Topoisômerases → enzimas que, quando presentes, promovem a quebra 
transitória nas pontes fosfodiéster adicionando ou removendo 
superenrolamentos. 
 
• A enzima permanece ligada covalentemente ao DNA e permite que as fitas 
passem umas sobre as outras. 
 
• Estas enzimas mostram-se presentes tanto em células procarióticas como 
eucarióticas. 
 
TOPOISOMERASES 
 Topoisômerase I → quebram apenas uma das fitas de DNA 
 
 Topoisômerase II → quebram as duas fitas da dupla-hélice 
 
Participam de importantes etapas nos processos de replicação, 
transcrição e recombinação 
 
# o grau de superenrolamento, sua geração e remoção em moléculas 
de DNA pode ser medido de diferentes maneiras. 
TOPOISOMERASES 
Topoisomerase do tipo I 
 Topo I: Monômero de 100 kDa (+ e –) 
 Mutação no Gene topA  Inviável 
 Topo III: Monômero de 74 kDa (+) 
 Mutação no Gene topB  Viável 
Relaxamento de Superenrolamento 
 ATP 
Ligação e 
Desnaturação 
Ligação 
Fosfotirosina 
Restauração 
do DNA 
E. coli 
TOPOISOMERASES 
Topoisomerase do tipo II 
 Topo II  Tetrâmero 400 kDa 
 DNA-Girase  Sub A e B 
 Adiciona Supertorções – 
 Gene gyrA e gene gyrB 
 Topo IV  Catenadas 
 Antibióticos e Antitumorais 
E. coli 
105 a 140 pb 
Central: 20 pb (AT) 
Lateral: Rica em GC 
5’-Tyr(122)A 
TOPOISOMERASES 
Métodos de aferição do grau de superenrolamento 
 
• Eletroforese em gel de agarose 
 
→ separa as moléculas de DNA em função da sua forma e compactação 
(funções diretas do superenrolamento) 
 
→ o DNA migra em géis com diferentes velocidades (dependendo de seu 
tamanho e forma) 
 
# Moléculas de DNA de mesmo tamanho migram com diferentes 
velocidades se estiverem na forma circular relaxada, linear ou 
supertorcida. 
FORMAS DE DNA E SUPERTORÇÃO 
Métodos de aferição do grau de superenrolamento 
Gel Agarose 
Velocidade de Sedimentação 
Microscopia 
Eletrônica 
FORMAS DE DNA E SUPERTORÇÃO 
Tratamento com Topoisomerase 
5 Min 30 Min 
FORMAS DE DNA E SUPERTORÇÃO 
CONSIDERAÇÕES FINAIS 
 Ácidos Nucléicos  maiores representantes do genótipo (DNA) 
 
 Proteínas  maiores representantes do fenótipo 
 
 DNA  Envolvido com todo metabolismo do organismo 
 
 Molécula da Hereditariedade: Seqüências de bases nitrogenadas  
Informações 
 
 DNA  Moléculas principais 
 
 RNA  Moléculas intermediárias 
 
 Proteína  Resultado final da informação