Aula-09-GenA-tica-Molecular

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Prof. Dr. Daniel Pacheco Bruschi
- GENÉTICA MOLECULAR -
PARTE I 
danielpachecobruschi@gmail.com / danielbruschi@ufpr.com
mailto:danielpachecobruschi@gmail.com
mailto:danielbruschi@ufpr.com
Dogma central da Biologia Molecular
RNA catalítico
Sumário
 Estrutura do material genético
 Estrutura de genomas e variabilidade
 Replicação
 Transcrição
 Tradução
 Regulação da expressão gênica
O fluxo da Informação genética
RNA catalítico
“Molécula constituída por duas 
fitas complementares de 
polinucleotídeos organizados 
como uma dupla hélice” 
Nucleotídeos: blocos de construção dos ácidos nucléicos
(Desoxiadenilato)
(Desoxiadenilato ou 5’-monofosfato de desoxiadenosina ou dAMP)
H
= Nucleosídeo fosfato
Estrutura do Nucleotídeo
Adenina
Guanina
Citosina
Timina
Éster
Ligação glicosídica
Ácido desoxirribonucleico
H
Pentose é o açúcar que compõe os ácidos nucléicos
Ácido ribonucleico
Bases nitrogenadas constituintes do DNA
Sistemas de anéis conjugados, portadores de ligações duplas e simples alternadas
Uma fita de DNA
Qual a sequência de nucleotídeo 
do segmento de DNA ao lado?
5’ CACT 3’
p- CACT -OH
O DNA é um polinucleotídeo de fita dupla e orientação antiparalela
5’
3’
3’
5’
Cada nucleotídeo: dCMP dTMP dGMP dAMP
O DNA é um polinucleotídeo de dupla-fita, complementares entre si
Complementaridade de bases 
e o princípio da transmissão 
da informação genética
O DNA é um polinucleotídeo de dupla-fita, complementares entre si
Regra de Chargaff
O DNA é um polinucleotídeo de dupla-fita, complementares entre si
Questão 1: A quantificação do conteúdo de DNA de uma célula do pâncreas, 
uma do esôfago e de uma célula da mucosa bucal revelaram a presença da 
mesma quantidade de timina (12%). 
A partir deste dado, calcule a porcentagem de conteúdo dos demais 
nucleotídeos nesse genoma.
Devido a qual característica da fita de DNA é possível 
realizar este cálculo?
O DNA é um polinucleotídeo de dupla-fita, complementares entre si
Complementaridade de bases 
e o princípio da transmissão 
da informação genética
Ligações entre grupamento 
ceto (C=O) + amínico (C-NH2)
Dimensões e geometria espacial de uma dupla-fita
Uniformidade ao longo da molécula de DNA
Dimensões e geometria espacial de uma dupla-fita
e 
36°
Forças de estabilização: Interações de van der Walls (empilhamento de bases); efeitos 
hidrofóbicos; cadeias de açúcar-fosfato
3,4 nm
Estrutura tridimensional da molécula de DNA: Modelo
Nature, 1953
Watson-Crick
Dimensões e geometria espacial da molécula de DNA 
Reflexões do “X” indicam que a 
periodicidade da hélice é de ~3,4Å 
e a segunda repetição de ~34Å 
Reflexões axial indica o diâmetro 
da hélice na ordem de 20Å
Propriedades físico-químicas do DNA
1. Capacidade de desnaturação/renaturação Calor, agente químico desnaturante
(formamida), ácido forte, base forte
Pico de absorção de 260 nm (A260)
Efeito hipercrômico
Quantidade de conteúdos AT e GC pode afetar na desnaturação???
Tm= Temperatura Média de Fusão
Capacidade de desnaturação e renaturação
 Rompimento das interações de hidrogênio;
 Interações de empilhamento;
Ligações fosfodiésters + Ligações glicosídicas 
São resistentes à desnaturação
Efeito Hipocrômico
Efeito Hipercrômico () 37% absorbância em A260
Técnicas de Biologia Molecular utilizam o princípio de denaturação/renaturação de DNA
Renaturação = Anelamento = HIBRIDAÇÃO
Princípio da Técnica de hibridação 
1ª Desnaturação
Temperatura
Formamida
Dimetilsulfóxido (DMSO)
Solução alcalina (desprotonizam
anéis de A, G e C)
DNA-alvo Sonda de DNA
Sonda: sequência específica complementar 
à molécula de DNA-alvo
~25°C abaixo da Tm
Propriedades físico-químicas do DNA
2. Tautomeria de bases nitrogenadas (Isomeria de função)
Propriedades físico-químicas do DNA
2. Tautomeria de bases nitrogenadas (Isomeria de função)
Gera emparelhamentos não-usuais
(emparelhamentos não Watson-Crick)
Propriedades físico-químicas do DNA
3. Sequências palindrômicas
Propriedades físico-químicas do DNA
Repetições invertidas podem gerar alças (=harpins) 
A GC C T A
Propriedades físico-químicas do DNA
Repetições invertidas duplas podem gerar grampos duplos (=cruciformes) 
O DNA pode assumir formas helicoidais diferentes
Estrutura 
Watson-Crick
 Rotação para a 
esquerda (levogira);
 12 pb por volta;
 Delgada e alongada
 Pouca definição do 
sulco maior 
 Alta concentração 
de sal
 Rotação para a 
direita (dextrógira);
 11 pb por volta;
 Observadas em 
solução de 
desidratação
Ácidos Nucleicos: RNA
Ácidos Nucleicos: RNA
RNA mensageiro
RNA transportador
RNA ribossomal
Micro RNAs
RNA genômico
(fita simples ou dupla)
Vírus do HIV
Vírus do HCV
Influenza
Ácidos Nucleicos: RNA
Ácido ribonucléico = RNA
Pentose Bases Nitrogenadas
Diversidade de estruturas secundária do RNA
Saliências
Alça 
Interna
Grampo
Fita 
Simples
Diversidade de formas x função biológica
RNA transportador (tRNA)
RNA ribossomal (rRNA)
RNA ribossomal (rRNA)
Principais tipos de RNA
Outras funções dos nucleotídeos
Função de armazenamento energético
Sinalização celular
Co-fatores enzimáticos
Estrutura de GENOMAS e variabilidade
Sumário
Estrutura do material genético
Estrutura de genomas e variabilidade
Replicação
Transcrição
Tradução
Regulação da expressão gênica
Genoma Procarioto
~ 4.64 Mb
~ 4.498 genes
(Ncbi, 2017)
Micrografia eletrônica de E. coli
 Sequências codificadoras correspondem a
maior parte do genoma
 Algumas bactérias apresentam pequenas
moléculas independentes de DNA Plasmídeos
Genoma nuclear: conjunto de moléculas de DNA de uma célula
Célula diplóide: 23 pares de moléculas de DNA
~25.000 genes
Núcleo interfásico
Célula em divisão
“Teoria cromossômica da herança”
Genoma nuclear está complexado a um conjunto de proteínas 
histônicas e não-histônicas = CROMATINA
O genoma mitocondrial- Organização
 Maioria dos mtDNA são circulares
superenovelados
(exceção em alguns protozoários e fungos).
 Alto número de cópias: múltiplos genomas por
mitocôndria e muitas mitocôndrias por célula.
6.000 pb (Plasmodium) a 2.500.000 pb (algumas plantas)
O genoma do cloroplasto
 Cloroplastos são responsáveis pela 
fotossíntese; ocorrem somente em plantas e 
protistas fotossintetizantes.
 DNA circular
 cpDNA é, em geral, maior que mtDNA
 Múltiplas cópias e muitas regiões não 
codificantes.
 Genomas completos sequenciados de 
várias espécies (tabaco 155.844 bp; arroz 
134.525 bp).
Organização do genoma VIRAL
DNA
RNA
Fita simples 
Fita dupla
Fita simples 
Fita dupla
Positiva 
Negativa 
Ebola
Rotavírus
Tamanho reduzido 
DNA (dupla fita ou simples fita) ou RNA 
Número de genes: 3 a >190 
Organização do genoma de um retrovírus HIV-1
~ 100nm
Modulação do ciclo viral
Muitas células, mesma composição
C
él
u
la
 
p
ri
m
o
rd
ia
l
P
ro
li
fe
ra
çã
o
D
if
er
en
ci
a
çã
o
(n)
(n)
(2n)
Mesma composição genética
O fluxo da informação genética
RNA catalítico
Sumário
 Estrutura do material genético
 Estrutura de genomas e variabilidade
 Replicação
 Transcrição
 Tradução
 Regulação da expressão gênica
Em que momento uma célula sofre replicação?
Características do DNA e Bases para a hereditariedade
A replicação é um processo SEMI-CONSERVATIVO
Ataque nucleofílico do O ligado ao C3’ ao fósforo ᾳ do nucleotídeo a ser incorporado 
Fita molde
Fita nascente
Desoxirribunucleosídeo a ser incorporado
Relembre:
DNA Polimerase: 5’3’
Enzima altamente Processiva
Co-fatores enzimáticos
Necessidade absoluta de um 
grupo 3’0H disponível
DNA Polimerase em ação: 5’3’
Geometria de pareamento
• erro esperado: 1 em 10.000-100.000
• erro observado: 1 em 1.000.000.000
DNA Polimerase: Atividade exonucleásica
Edição no sentido 3’5’
Pareamento 
não-usual
Distorção na dupla-
fita nascente
Remoção do 
nucleotídeo 
mau-pareado
Mecanismos de fidelidade da DNA polimerase
Replicaçãoem Procariotos
Replicação em organismos Procariotos
Ori-c
Sequência rica em AT
Proteínas iniciadoras
Ligação das proteínas iniciadoras à 
Origem de replicação (Ori-C)
Ligação cooperativa (~20-40) monômeros.
Replicação em organismos Procariotos
DNA-helicase ligada à 
um inibidor de helicase
Posicionamento da DNA-helicase
inicia a forquilha de replicação 
Início da replicação
Replicação em organismos Procariotos
Ori -C
Sítio R – sítio de interação com a DnaA
Região DUE – elemento de desenrolamento 
de DNA
Componentes de uma Bolha de replicação
Bolha de replicação
5’
3’
3’
5’
Fitas novas
Forquilha de 
replicação
Forquilha de 
replicação
Modificado de Carvalho & Recco-Pimentel. “A célula”, 3ed., 2013
Componentes de uma Bolha de replicação
Modificado de Carvalho & Recco-Pimentel. “A célula”, 3ed., 2013
Sentido de deslocamento em uma forquilha de replicação
Relembre: 
5’3’
Se a DNA-polimerase utiliza um molde no 
sentido 3’5’ para realizar a polimerização, 
como ocorre a síntese da fita 5’3’?
Iniciador= Primer
Primer
Replicação da fita descontínua
F. OkasakiF. Okasaki
Fragmento de Okasaki: 
Primer + segmento DNA replicado
~ 1.000 à 2.000 nucleotídeos procarioto
-100 à 200 nucleotídeos eucarioto
DNA-ligase
RNAse H/DNA pol I
Replicação da fita descontínua
Complexidade de uma Forquilha de replicação
DNA parental
DNA helicase
DNA primase
primossomo
SSB: Single Strand DNA Binding protein
Fita nascente 
(contínua) 
Molde da fita contínua
DNA polimerase 
Grampo de deslizamento
Primer (RNA)
Fragmento de Okazaki 
Molde da fita descontínua
DNA polimerase 
Grampo 
Início de um novo
fragmento de Okazaki 
5´
3´
3´
5´
SSB
Grampo deslizante (anel deslizante)
Complexidade de uma Forquilha de replicação
Término replicação em organismos Procariotos
Mecanismo Ter- tus
Inibe atividade da 
helicase em uma das 
forquilhas
Replicação em Eucariotos
1. Abertura da dupla-fita de DNA
Origens de replicação
Modificado de Griffiths AJF, Wessler SR, Carroll SB, Doebley J. Introdução à Genética, 10a ed., 2013.
50 nucleotídeos por segundo (0,02 segundos/nucleotideo)
0,02 segundos x 150.106 pares de base= 3.106 segundos = 800 horas DNA- Helicases
Licenciamento das Origens de Replicação
Complexo de Reconhecimento da Origem (ORC))
Degradação de Cdc6
Complexo pré-replicativo (pré-RC)
S-Cdk
Inibição de Cdt1 por geminina
Síntese de 
DNA
G1
Helicase
Uma forquilha de replicação Eucariota
Eucariotos: DNA pol. Ƹ (epsilon) – fita líder 
DNA pol. δ (delta) – fita atrasada
Como ocorre a replicação das extremidades do cromossomo linear? 
?
Em que região a primase encontraria um molde 3’ (OH livre) na 
extremidade do cromossomo para adicionar o fragmento de Okasaki?
Se essa parte ficasse sem se replicar, na próxima replicação, ocorreria a 
perda de mais uma região?
Telômeros
Metáfase mitótica humana hibridada com sonda de 
sequencias de DNA telomérico
(TTAGGG)n
Telômeros
Metáfase mitótica humana hibridada com sonda de sequencias de DNA telomérico
(TTAGGG)n
Finalização da replicação em Eucariotos
5’
3’
Fita original
Fita descontínua incompleta 
Direção de síntese 
do telômero
DNA polimerase
5’
3’
5’
3’
Unidade repetitiva do telômero: TTAGGG
T(1-4) A(0-1) G(1-8)
Alça T
Telomerase
A telomerase está ativa apenas em células não diferenciadas – Senescência replicativa
Primer
Telomerase
Telomerase ATIVA!!!
Telomerase INATIVA!!!
Encurtamento dos telômerosManutenção do tamanho dos telômeros
Células passam a ter um tempo de vida
Finalização da replicação gera duas cromátides-irmãs
Coesinas mantém as cromátides-
irmãs associadas 
Telômeros e o envelhecimento celular 
G0
SENESCÊNCIA
Armanios, 2009. Annu Rev Genomics Hum Genet. 
Idade Biológica = Replicronômetro
Fibroblasto em cultura ~ 50 ciclos (30 – 70 ciclos celulares);
Diferentes células, diferente expressão de telomerase
Síndromes de envelhecimento precoce
Progéria ou Síndrome de Huntchinson-Gilford
Mutação do Gene da Emelina
E.N. normal
E.N frágil
Dupla face da telomerase no Câncer
Henrietta Lacks –
câncer de ovário (1951)
Linhagem de células HeLa – linhagem imortalizada
Mutações gênicas 
Dano ao DNA x Mutação
DNA original Dano
Reparo
Mutação
DNA mutante
Mutação: 
São alterações no material genético de uma célula que são
transmitidas (herdáveis) para a próxima geração celular
Características do DNA e bases para a hereditariedade
A replicação é um processo SEMI-CONSERVATIVO
Lesão
Sítio alterado
Linhagem celular carregando a alteração
Conceitos importantes
Mutação
Processo 
Estocástico
Aleatório
Não-
adaptativo
(Não –determinístico)
Mutação somática Mutação germinativa
Características das Mutações
Manifestação do fenótipo mutante
apenas nos descendentes desta célula.
A mutação pode 
ser transmitida 
para a prole
Número de indivíduos da prole
afetados varia (depende do
estágio do ciclo reprodutivo)
Somática
Germinativa
Quais as origens dos danos à molécula de DNA?
ESPONTÂNEA: resultante de erros no metabolismo - rara
INDUZIDA: resultante de exposição a agentes mutagênicos ou
mutágenos – frequência varia, depende do mutágeno, tempo
de exposição, entre outros;
 Bactérias: 10-8 a 10-10 mutações / pb / geração
 Eucariotos: 10-7 a 10-9 mutações / pb / geração
Na prática, geralmente não é possível saber se a mutação 
é espontânea ou induzida
Origens das mutações
Danos no DNA podem ocorrer espontaneamente
 Taxa de mutação: 1 nucleotídeo em cada 109 em cada replicação 
 Genoma Humano  3 X 109 pares de nucleotídeos  erro em cerca de 3 
nucleotídeos a cada divisão celular
Geometria de pareamento
DNA Polimerase: Atividade exonucleásica
Edição no sentido 3’5’
Pareamento 
não-usual
Distorção na dupla-
fita nascente
Remoção do 
nucleotídeo 
mau-pareado
Mecanismos de fidelidade da DNA polimerase
Procariotos: DNA pol. I e III
Eucariotos: DNA pol. Ƹ (epsilon) e δ (delta)
Tautomeria de bases nitrogenadas: isomeria funcional
Gera emparelhamentos não-usuais
(emparelhamentos não Watson-Crick)
Par de bases raro A-C Par de bases raro G-T
Citosina
(forma rara)
Adenina
(forma comum)
Guanina
(forma rara)
Timina
(forma comum)
 Nucleotídeos livres ou inseridos em uma cadeia de DNA
Efeito da replicação de DNA na presença de uma base tautomérica
O sistema de reparo de dano ao DNA pode perceber esse erro de mau-emparelhamento e 
remover o nucleotídeo mau-pareado. 
G assume sua 
forma enol (G*)
[ G*: T ]
G* retorna a sua 
forma ceto (G)
[ G: C ]
Substituições de Bases
A G C T A
T C *G A T
5’
5’3’
3’
A G T T A
T C A A T
5’
5’3’
3’ A G G T A
T C C A T
5’
5’3’
3’
A G A T A
T C T A T
5’
5’3’
3’
OU
TRANSIÇÃO
TRANSVERSÃO
GA GC
GT
Substituições de Bases
Substituições de Bases - Exercício
A T C ⇒ A G C = ___________________
A T G ⇒ T T G = ___________________ 
C A T ⇒ G A T = ___________________
A A A⇒ G A T = ___________________
T A G ⇒ C A G = ___________________
G T A ⇒ A C A = ___________________
(T  G) Transversão
(A  T) Transversão
(C  G) Transversão
(A G) Transição / (A  T) Transversão
(T C) Transição 
(G A) Transição / ( TC) Transição 
DNA original DNA mutante
Quais as origens dos danos à molécula de DNA?