Moléculas Orgânicas nas Células

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Rafael Valverde 
rafaval@gmail.com 
Lab. Físico-Quimica Biológica G-37 
 
 
Biologia Celular para Nanociências e Nanotecnologia 
IBCCFº UFRJ 
 
Fevereiro 2014 
 
Água 
 
Ions 
 (Na, K, Mg, Ca, Cl, etc.) 
 
Proteínas 
 
RNA 
 
DNA 
 
Fosfolipídeos 
 
Outros Lipídeos 
 
Polissacarídeos 
 
 
70% 
 
1% 
 
 
15% 
 
6% 
 
1% 
 
2% 
 
--- 
 
2% 
 
 
70% 
 
1% 
 
 
18% 
 
1,1% 
 
0,25% 
 
3% 
 
2% 
 
2% 
Volume Relativo da Célula 1 2000 
Procariotos Eucariotos 
Substâncias que participam da Organização 
Molecular e Estrutural das Células 
RNA 
 
DNA 
Figure 2-17 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
As quatros Principais Famílias de Moléculas 
Orgânicas nas Células 
unidades monoméricas básicas da maioria 
das macromoléculas celulares 
 
açúcares e ácidos graxos servem como fontes 
de energia 
Figure 2-27 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
Nucleotídeos: Carreadores de Energia Química 
nucleotídeo: base 
nitrogenada ligada a 
um açúcar fosfatado 
com uma ribose: 
ribonucleotídeo 
podem carrear 
energia química!! 
Figure 2-65 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
Síntese de 
Polímeros 
Requer 
Energia 
DNA, RNA e proteínas requerem energia da 
quebra de nucleotídeos (ATP) para serem 
formados 
Figure 2-67 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
a síntese de DNA e RNA é 
possibilitada pela quebra 
de ATP 
nucleotídeo é ativado por 
ATP e é adicionado a cadeia 
crescente de RNA ou DNA 
Figure 2-28 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
Pequena Parte de uma 
Cadeia de Ácido 
Desoxiribonucleico (DNA) 
sequência polinucleotídica é 
sempre lida no sentido 5’ ざ’ 
nucleotídeos são unidos por 
ligações fosfodiéster entre 
carbonos específicos das riboses 
ou desoxirriboses 
 
extremidade 5’ sempre terá um 
fosfato livre e outra ざ’ sempre 
terá uma hidroxila 
Figure 4-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
Os Cromossomos em uma Célula 
novas técnicas bioquímicas: 
DNA composto de acido 
desoxirribonucleico e proteínas! 
Século XIX: microscopia ótica dos 
cromossomos no momento da 
divisão 
 
DNA seria uma molécula 
meramente estrutural? 
Figure 4-2 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
DNA: Molécula Carreadora de Informação 
molécula carreadora 
da informação de 
patogenicidade: DNA 
transformação: 
tornava uma cepa 
não patogênica em 
patogênica!! 
A Resolução da Estrutura do DNA (1953) 
como as proteínas seriam 
codificadas pelo DNA? 
 
como ocorreria a propagação 
desta informação? 
Modelo de Watson e Crick: 
insight de como seria 
replicada a informação 
genética! 
Figure 4-3 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
duas longas cadeias (fitas) 
polinucleotídicas com quatro tipos de 
bases nitrogenadas 
 
polaridade química 
extremidade 5’: fosfato 
extremidade ざ’: hidroxila 
 
fitas antiparalelas conectadas por 
pontes de hidrogênio entre as bases 
Figure 4-4 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
A Regra de 
Chargaff 
purinas (G e A) 
pareiam com 
pirimidinas (C e T) 
Pareamento das bases por pontes 
de hidrogênio no interior e 
esqueleto de açúcar externo 
Figure 4-5 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
arranjo onde pares de 
base tem tamanho 
equivalente 
dupla hélice: uma volta a 
cada dez pares de base 
fitas são antiparalelas e as 
sequencias nucleotícas 
são complementares 
Figure 4-6 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
como a informação que especifica um organismo é carreada 
quimicamente, como essa informação é copiada? 
alfabeto de quatro letras 
 
╉palavras╊ diferentes 
(mensagens biológicas!) 
Figure 4-7 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
O Genoma 
genoma contem 
informação para sintese de 
todos os RNAs e proteinas 
 
╉さ metros╊ de DNA dupla 
hélice! 
Figure 4-8 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
O DNA como Molde para sua Replicação 
cada fita atua como molde para 
síntese da fita complementar a ela 
Figure 4-13 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
O arranjo dos Genes no Genoma de S.cerevisiae 
correlação entre a quantidade de 
genes e complexidade do organismo 
 
humanos: 25000 vs bactérias: 500 
alguns genes tem como 
produto final apenas 
RNA 
grande quantidade de ╉junk 
DNA╊ não codificante 
(importância regulatória) 
Figure 4-15 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
A Sequência Nucleotídica do Genoma Mostra 
como os Genes são Organizados 
cromossoma 22 é um 
dos menores do 
genoma humano 
em vermelho: trecho 
codificante 
Table 4-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
A Sequência 
Nucleotídica do 
Genoma Mostra 
como os Genes 
são Organizados 
baixo percentual de DNA 
codificante!! 
tamanho médio dos genes é 
grande comparado ao 
tamanho de uma proteina 
média 
Introns e exons!! 
Muito pouco! 
A Compactação do DNA 
como compactar um genoma de 46 
cromossomos (2 m) em 6 µm de 
diâmetro do núcleo? 
associação com proteínas: dobram 
e retorcem o DNA 
 
condensação e descondensação 
localizada e dinâmica! (replicação, 
reparo, expressão gênica, etc) 
cromossoma 22: compactação de 
10000x (1,5 µM) 
Figure 4-22 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
Nucleossomas ao Microscópio 
compactação graças a duas classes 
de proteinas: histonas e não-
histonas 
cromatina: complexo DNA-
proteinas 
 
massa do DNA = massa de 
histonas 
30 nM 
nucleossomas: 
primeiro nível de 
empacotamento 
cromossômico 
cromatina na 
interfase 
Figure 4-23 (part 1 of 2) Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
A Organização 
Estrutural dos 
Nucleossomas 
organização dos nucleossomas foi 
determinada utilizando nucleases 
 
nucleossomas: core particle com 147 
pares de nucleotídeos envolvendo 8 
histonas 
+ 
linker DNA 
Figure 4-23 (part 2 of 2) Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
A Organização 
Estrutural dos 
Nucleossomas 
nucleossoma é empacotado por um 
octâmero de histonas: 
2 H2A, 2 H2B, 2 H3, 2 H4 
 
além de um comprimento de DNA fita 
dupla contendo 147 pares de bases + DNA 
linker 
Figure 4-25 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
A Organização Estrutural das Histonas 
motivos conservados: 
motivo de enovelamento das histonas 
e cauda N-terminal 
 
caudas são sujeitas a modificações 
pós-traducionais (mudanças 
estruturais e funcionais) 
Figure 4-26 (part 1 of 2) Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
A Montagem de um Octâmero de Histonas no 
DNA 
interação entre os 
domínios de 
enovelamento das 
histonas 
 
H3 e H4 
H2A e H2B 
Figure 4-26 (part 2 of 2) Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
A Montagem de um 
Octâmero de 
Histonas no DNA 
Tetrâmero formado por H3 e H4 se combina 
a dois dímeros de H2A e H2B gerando o 
actâmero 
 
DNA envolve o complexo 
Figure 4-27 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
O DNA é Moldado em um Nucleossoma 
são formadas 142 pontes de 
hidrogenio entre o core de histonas e 
o DNA 
argininas e lisinas das histonas 
neutralizam DNA negativamente 
carregado 
 
ligação AT é preferível no contato 
com o core de histonas 
(maleabilidade) 
Figure 4-28 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
Nucleassomas tem Estrutura Dinâmica 
nucleossomas são 
estruturas dinâmicas!! 
 
permitem acessso 
quando nescessário 
in vitro: nucleossomas passam por 
período transiente de abertura 
Figure 4-29 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
O Complexo de Remodelamento da Cromatina 
cataliza o afrouxamento da 
interação DNA-core de 
histonas! 
permite a interação do DNA 
do nucleossoma com outras 
proteínas! 
in vivo, o acesso a cromatina é 
controlado por proteínas: complexo de 
remodelamentoda cromatina 
Figure 4-30 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
A Remoção do Nucleossoma e Troca de Histonas 
Catalizada pelo Complexo de Remodelamento 
da Cromatina 
complexo de remodelamento pode 
trocar ou modificar as histonas do 
nucleossoma, montando-o ou 
desfazendo-o por completo 
Figure 4-31 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
Nucleossomas são Arranjados em uma Fibra 
Compacta 
nucleossomas se arranjam uns sobre 
os outros (fibra de 30 nm) 
 
modelo em ╉zigzag╊ (cristalografia 
de raios x) 
Figure 4-33a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
Empilhamento dos Nucleossomas 
empilhamento devido a 
interação entre as caudas das 
histonas (sobretudo H4) 
 
caudas flexíveis 
Figure 4-34 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
Histona de Ligação (linker) 
presença de uma histona de ligação (histona 
H1): importante no empilhamento 
 
presente em uma proporção de 1 : 1 com 
nucleossomas 
 
muda a trajetória do DNA na saída do 
nucleossoma 
Figure 4-35 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
Herança Genética vs. Herança Epigenética 
(Baseada na estrutura da Cromatina ) 
diferentes regiões do genoma 
se organizam diferentemente 
 
essencial na manutenção dos 
organismos eucarióticos 
superiores 
herança epigenética tem 
base proteica: 
como acontece? 
Eucromatina e Heterocromatina 
Eucroamatina 
 
região menos condensada 
 
maioria dos genes 
transcricionalmente 
ativos 
Heterocromatina 
 
extremamente compacta 
 
concentrada em 
determiandas regiões do 
cromossoma (>10% do 
genoma) 
 
resistentes a expressão 
gênica 
 
genes eucromaticos que 
passam à heterocromatina 
são silenciados 
 
efeito de posição (regulação 
da expressão gênica) 
Figure 4-36 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
Efeito de Posição (variegação) 
Sequencia barreira 
separando os dois 
tipos de cromatina 
Translocação com perda 
da barreira!! 
o padrão de espalhamento (variegação) da heterocromatina resulta da 
inativação de um gene por proximidade a uma região de 
heterocromatina (pode ser herdado) 
Figure 4-37 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
A Descoberta dos Efeitos de Posição 
efeito de posição em algumas 
células do olho de drosophila 
 
silenciamento do gene white 
leva a aparição de manchas no 
olho de drosophila 
Figure 4-38 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
Tipos Predominantes de Modificação das 
Histonas Nucleossomais 
histonas sofrem modificações pós-traducionais 
 
modificações diferentes = efeitos biológicos diferentes 
 
metilação impede acetilação e vice-versa 
Figure 4-39a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
As Modificações Covalentes nas Histonas 
Nucleossomais 
modificações ocorrem 
prevalentemente nas caudas 
N-terminais das histonas 
Figure 4-39b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
A Modificação Covalente das Histonas 
modificações são reversíveis 
 
acetilação de lisinas é catalisada 
pelas histonas acetil 
transferases (FIATs) 
 
e removidas por histonas 
desacetilases (HDACs) 
modificações são 
circunstanciais, recrutadas 
por proteínas regulatórias 
gênicas 
metilação de lisinas é catalisada 
pelas histonas metil transferases 
 
e removidas por histona 
demetilases 
Figure 4-40 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
Mapa Estrutural das Modificações Covalentes 
modificações podem persistir 
durante intervalos 
prolongados 
acetilação afrouxa a 
cromatina (carga positiva das 
lisinas é anulada!) 
atração de proteinas 
reguladoras da expressão 
gênica (quais genes, quando e 
com qual função!) 
Figure 4-41 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
Variantes de Histonas Mudam a Expressão 
histonas variantes são montadas 
nos nucleossomas via complexos 
de remodelamento da cromatina 
Essa montagem obedece a 
demanada celular por um 
processo específico 
Figure 4-42 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
O Código das Histonas 
grande número de possíveis 
combinações de modificações em 
cada nucleossoma 
 
variação maior se consideramos 
as variantes de histona 
combinações diferentes = 
mensagens diferentes 
replicação recente, nescessidade 
de reparo, nescessidade de 
expressão gênica e etc. 
lisina 4 de H3 
trimetilada é 
reconhecida por 
módulos proteicos 
Figure 4-43 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
O Complexo de 
Leitura do Código 
módulos proteicos atuam em conjunto: 
complexo de leitura do código 
 
combinações diferentes de modificações 
atraem complexos de leitura diferentes 
 
cada complexo recruta proteínas 
regulatórias diferentes 
Figure 4-44b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
O Código das Histonas (Histona H3) 
alguns poucos e bem 
entendidos exemplos na 
informação que pode ser 
codificada pela histona H3 
Figure 4-45 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
O Complexo Proteico 
de Modificação/Leitura 
O que acarretaria o efeito de 
variegação: propagação do 
código das histonas! 
Efeito em cadeia mediado 
por complexos de leitura e 
modificação de histonas 
Figure 4-46a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
A Proteína de 
Remodelagem da 
Cromatina atua em 
Conjunto 
A propagação do código requer 
multiplas proteinas de leitura e 
modificação além do complexo de 
remodelagem da cromatina 
(condensação e descondensação) 
Figure 4-47 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
As Sequências 
Barreira 
o que previne a interferência entre 
dominios vizinhos de estrutura e 
função diferentes na cromatina? 
sequências de DNA específicas 
(sequencias barreira) 
 
bloqueiam o avanço do complexo de 
modificação/leitura (separação de 
domínios da cromatina!!) 
 
Ancoramento a um ponto fixo 
 
proteína bloqueadora do complexo de 
leitura 
 
recrutamento de proteínas de 
modificação diferentes (apagam 
marcação) 
Figure 4-52 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
O Empacotamento do DNA na Cromatina pode 
ser Herdado Durante a Replicação Cromossômica 
modulação do 
empacotamento do DNA: 
essencial para a complexidade 
dos organismos 
padrão de organização da 
cromatina é mantido após a 
duplicação 
 
heterocromatina 
constitutivamente condensada 
contém a proteina HPI 
 
enquanto heterocromatina com 
genes do desenvolvimento 
contém polycomb (empacotam 
2% do DNA) 
Figure 4-51 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
Figure 4-53 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
A Memória Celular (Informação Epigenética) 
Memória é armazenada sob 
a forma de informação 
epigenética na cromatina 
dos genes de eucariotos 
não se conhecem ainda 
todos os tipos de estrutura 
de empacotamento 
existentes 
Algumas estruturas podem 
ter um tempo de existência 
curto, não sendo 
propagados