01-Histórico_DNA e RNA_Replicação

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Biologia Molecular 
 
Valeska Silva Lucena 
valeskasl@hotmail.com 
Origem 
• O termo Biologia Molecular parece ter sido utilizado pela primeira vez por 
Warren Weaver em um relátório de 1938 para a Fundação Rockefeller para dá 
suporte há uma série em um campo relativamente novo, que pode ser chamado 
de Biologia Molecular”. 
 
• Astbury utilizou o termo um ano depois, em 1939, passando a ser cada vez mais 
comum. 
 
• Em 1956 foi utilizado pela primeira vez no nome de uma instituição (Laboratório 
de Biologia Molecular de Cambridge, originalmente chamado de Unidade para o 
estudo de estruturas moleculares em sistemas biológicos). 
 
• Em 1959 foi utilizado pela primeira vez no nome de uma revista científica, 
Journal of Molecular Biology 
 
• Em 1963 foi utilizado pela primeira vez no nome de uma organização 
internacional, European Molecular Biology Organization 
• Evolução científica na área de Biologia 
Molecular. 
 
 
 
Introdução 
Estudo da estrutura e função dos genes, 
bem como da organização e 
funcionamento do genoma em uma 
determinada célula. 
 
ORGANISMO 
CÉLULA 
NÚCLEO 
CROMOSSOMOS 
(DNA+PROTEÍNAS) 
Capacidade de se auto-
duplicar para originar outras 
células. 
DNA 
Introdução 
Degradações Proteínas 
DNA Transcrição 
pré-RNAm 
Splicing 
RNAm 
Tradução 
Modificações 
Fatores externos 
WITZMANN; LI 
(2002) 
O DOGMA CENTRAL DA BIOLOGIA 
MOLECULAR 
Divisões do estudo genômico: Era 
Pós-genômica 
G
e
n
ô
m
ic
a
 
E
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u
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ra
l 
Genoma 
G
e
n
ô
m
ic
a
 
F
u
n
c
io
n
a
l Transcriptoma 
Proteoma 
 Estático: 30.000 – 40.000 genes 
 Dinâmico: + de 100.000 RNAs 
 Dinâmico: + de 400.000 proteínas 
Variabilidade do proteoma se dá pelas diversas variações genéticas/polimorfismos, 
diferentes regulações gênica, Splicing alternativo e modificações pós-traducionais 
Histórico 
• Em 1865- Gregor Mendel – publica 
seus trabalhos com ervilha 
 
• 1869 – Químico-Friedrich Mieschner – 
pus humano – encontrou substância 
com alto teor de fósforo (nucleína). 
Como não conseguiu descobrir para que 
servia, logo se desinteressou. 
 
• 1882 – Walter Flemming – descobre no 
núcleo bastões – Cromossomos 
 
• 1953 - James Watson e Francis Crick – 
dupla hélice do DNA 
 
 
Histórico 
• 1960 Arthur Kornberg - polimerase 
• 1961 Sydney Brenner - isolar o 
RNAm. 
• 1975- Frederick Sanger – método 
de sequenciamento 
• 1986-Stanley Cohen e Rita Levi- 
Montalcini - Tecnologia do DNA 
recombinante 
• 1994 – liberação tomate 
transgênico 
• 1996 – Dolly 
Histórico 
• 2000 – genoma humano 
• 2001 – primeiro transplante com células tronco 
adultas no Rio de Janeiro 
• Diversidade de organismos vivos - similares a nível 
celular – similaridade a nível molecular 
 
• Como os mecanismos moleculares semelhantes em 
organismos tão diversos quanto E. coli e humanos - 
cientistas podem escolher organismos simples (E. coli) 
como modelo para vários experimentos. 
 
• Avanços iniciais na biologia molecular foram feitos 
aproveitando o crescimento rápido e a genética 
facilmente manipulável de bactérias simples. 
Introdução 
Introdução 
• A tecnologia do DNA recombinante permitiu que 
experimentos inicialmente desenvolvidos em 
células procarióticas fossem estendidos à 
células eucarióticas. 
 
• Toda a diversidade biológica está em constante 
evolução – compreender os genomas dos 
organismos que vivem atualmente temos que 
levar em conta a evolução. 
Como surgiu a terra ? 
Como surgiu a primeira forma de vida? 
• Cerca de 5 bilhões de anos o universo 
estava compactado em uma imensa bola, 
sob altíssima pressão e temperatura. 
 
• Colapso gravitacional (big bang) - nuvem 
de gases e poeira interestelar. 
 
Origem da vida - Como surgiu o 
universo? 
Origem da vida - Como surgiu o 
universo? 
• As partículas recém formadas se agregaram 
entre si e com as antigas formando os primeiros 
átomos: hélio e hidrogênio e as primeiras 
galáxias 
Origem da vida - Como surgiu o 
universo? 
• Nascem as primeiras 
estrelas 
 
• As estrelas 
envelhecem e morrem 
tornando-se anãs 
brancas; a morte de 
uma estrela lança 
elementos e poeira no 
cosmo originando os 
planetas. 
• Agregados intenso calor – terra esfriou 
centenas de milhões de anos. 
• Erupções vulcânicas – fustigavam a 
superfície da terra – gases formavam 
atmosfera primitiva 
Origem da vida - Como surgiu o 
universo? 
1. Como a forma incipiente de vida resistiu 
as condições extremamente hostis da 
atmosfera primitiva? 
 
2. Como era a primeira forma de vida? 
 
3. O que nós sabemos hoje? 
Perguntas??? 
• Primeiras evidências de vida na terra – 3,5 
bilhões de anos 
•Descobertos na África do Sul e na Austrália – formações 
rochosas compostas por estromatólitos fossilizados 
Evidências primeiras formas 
de vida na terra 
Estromatólitos atuais 
do Oeste da Austrália 
Estruturas formadas por 
Colônias de cianobactérias 
O que são estromatólitos? 
• Mas cianobactérias são extremamente 
complexas – fazem fotossíntese – evidências da 
fotossíntese são de 2,5 a 2,8 bilhões de anos 
 
1) Primeiro ser vivo já era capaz de realizar 
fotossíntese? 
2) Estromatólitos seriam as primeiras formas de 
vida? 
 
• Evidências apontam que a primeira bactéria 
não era cianobactéria. 
Fósseis indicam que a vida 
deve ter surgido em 
períodos anteriores a 3,5 
bilhões de anos 
 
Fósseis encontrados no 
Oeste da Groelândia – 
carbono (resultante da 
atividade biológica) em 
rochas 
 
Haveria vida no fundo do 
mar? 
• Composição atmosfera primitiva 
 
Ausência de oxigênio – terra - atmosfera fina 
Compostos redutores : 
H2 – hidrogênio 
CH4 - metano 
NH3 - amônia 
CO - monóxido de carbono 
Água - forma de vapor – nuvens – desciam forma 
de tempestades – formação primeiros rios e 
lagos 
Energia – descargas 
elétricas e alta luz 
solar – propiciou 
reações químicas – 
formação de 
compostos 
intermediários – 
formação de 
moléculas orgânicas 
complexas – sopa 
primitiva. 
Formação de 
moléculas 
orgânicas 
complexas como 
aminoácidos e os 
ácidos nucléicos, 
essenciais na 
formação de todo 
ser vivo. 
 
• Algumas moléculas 
orgânicas têm a 
tendência a se 
agregar. 
 
• Essas gotículas 
provavelmente 
tenham sido os 
precursores das 
primeiras formas de 
vida a protocélula. 
• Célula primitiva ambiente rico em alimento – 
heterótrofas. 
 
• Organismos primitivos heterótrofos aumentavam – 
esgotavam substâncias ricas em energia no 
ambiente pré-biótico - competição . 
 
• Surgem células capazes de produzir moléculas 
orgânicas ricas em energia a partir do uso de 
substâncias inorgânicas – autótrofos. 
 
• Aumento do O2 (gerado pela quebra da água na 
fotossíntese) – surge: camada de ozônio 
 
• Desafio adicional para organismos adaptados à 
vida em atmosfera pobre em oxigênio 
 
• Refinamentos metabólicos permitiram que os 
organismos evitassem danos oxidativos, 
permitindo a utilização deste O2 no seu 
metabolismo (forma mais eficiente de metabolizar 
energia do que no metabolismo anaeróbico). 
• Antes que a atmosfera 
acumulasse oxigênio e se 
tornasse aeróbica as únicas 
células que existiam eram as 
procarióticas 
 
• É muito provável que os 
primeiros procariotos eram 
organismos do tipo Archaea – 
sobrevivem ambientes hostis.• Origem da Terra- 5 bilhões de anos 
• Primeiros fósseis- 3,5 bilhões de anos 
• Moléculas inorgânicas simples – Moléculas 
orgânicas-Macromoléculas biológicas - Código 
genético - célula 
 
Evolução 
Qual foi a primeira molécula a 
surgir DNA ou Proteínas? 
• Ácidos nucléicos – essenciais a vida – 
necessitam de proteínas para funcionar 
DNA RNA Proteína 
• 1960 Orgel, Crick e Woese – propuseram 
independentemente RNA precedeu a 
formação do DNA 
 
• Três moléculas de RNA: (RNAr, RNAt, 
RNAm) – confirmar hipótese - RNAs 
catalíticos – propriedade que era exclusiva 
de proteínas 
 
Fundamentos do “mundo de RNA” 
• Presença de algumas moléculas idênticas ou 
muito semelhantes aos monômeros de RNA 
em todos os seres vivos, que atuam como 
cofatores (NAD e FAD); 
• O DNA não ser quimicamente tão flexível; 
• Os desoxirribonucleotídeos são derivados 
dos ribonucleotídeos; 
• Um número crescente de funções celulares 
estão associadas às moléculas de RNA 
(síntese protéica, processamento do RNA). 
Fundamentos do “mundo de RNA” 
•Comparando DNA e RNA - 1977 descoberto que 
sequências codificadoras (Éxons) de vários genes eram 
interrompidas por sequências não codificadoras (Íntrons) 
 
•Após a transcrição os íntrons tem que ser removidos do 
pré-RNA para originar o RNA-maduro – molde para a 
tradução de uma proteína 
 
•1980 – Cech e colaboradores – mostraram que alguns 
íntrons são capazes de catalisar sua própria remoção – 
denominados íntrons autocatalíticos. 
 
 
DNA 
Cromossoma 
Gene 
Promotor Intron Exon 
Núcleo 
RNAs fazem a 
retirada de 
íntrons e união 
de éxons 
RNA catalítico 
1. Ser catalítica – como as proteínas são melhores 
catalisadoras do que o RNA é improvável que o 
RNA catalisador seja uma aquisição recente do 
metabolismo 
 
2. Ser ubíqua, indicando estar presente no último 
ancestral comum de todos os seres vivos 
 
3. Ter função central no metabolismo – tendo 
posição central dificilmente ele será substituído 
Características dos Fósseis de RNA 
Existem fósseis vivos de 
RNA? 
• Vírus 
• O surgimento de genomas de DNA e de 
polimerases de alta fidelidade possibilitaram o 
desenvolvimento de genomas maiores 
 
• Aparecimento de DNA – possibilitou duplicação 
dos genes, embaralhamento de éxons – 
gerando proteínas com novas capacidades 
catalíticas - aumento da complexidade 
Aumento da complexidade 
Carl Woese 1987 e Woese et. al 1990 - rRNA 16S (procariotos) e 18S 
(eucariotos) Transformaram dicotomia eucarioto/procarioto – três domínios: 
O mundo de hoje 
• Hipótese mais aceita – organização gradual de 
membranas ao redor do material genético. 
 
• A membrana nuclear é contínua ao retículo 
endoplasmático e teria se originado diretamente 
a partir deste. 
 
• Evidência para comprovar esta hipótese-
membrana nuclear é completamente 
desintegrada durante a divisão celular e é 
formada novamente nas células filhas 
A origem do núcleo 
RNAs catalíticos - 
Ribossomos 
RNAs catalíticos – RNAm 
Transcriptase reversa 
(encontradas em retrovírus) - 
DNA 
DNA - informação está 
duplicada – facilita o reparo 
 transcrito em RNA 
Ribose surge antes da 
desoxirribose 
Evolução da vida 
• Três alterações principais devem ter ocorrido 
quando os procariotos deram origem aos 
eucariotos: 
 
1. Células adquiriram mais DNA – 
desenvolveram mecanismos para dobrá-lo e 
compactá-lo - cromossomos 
 
2. Medida que as células se tornaram maiores – 
sistema de membranas intracelulares se 
desenvolveu – incluindo a carioteca 
Evolução das Células 
Eucarióticas 
3. As células eucarióticas primitivas eram 
incapazes de realizar respiração e fotossíntese 
– formaram associações endossimbióticas que 
se tornaram permanentes. 
 
• Bactérias aeróbicas – Mitocôndrias 
 
• Cianobactérias fotossintetizantes - Cloroplastos 
Evolução das Células 
Eucarióticas 
Nucleóide – Contém uma 
longa e simples molécula 
de DNA circular 
Pilo – Fornece 
pontos de adesão 
para a superfície de 
outras células 
Flagelo – 
Impulsiona a célula 
através de seu 
ambiente 
Envelope Celular – A 
estrutura varia com o 
tipo de bactéria 
Ribossomos – 
Síntese protéica 
Gram-negativa- tem 
membrana externa e camada 
de peptidoglicano – vermelho 
– resistente a penicilina 
Gram-positiva- camada de 
peptidoglicano mais grossa e 
não tem membrana exterma – 
roxo – sensível a penicilina 
Célula Procariótica 
Célula Eucariótica 
• Entre todas as propriedades dos organismos vivos, a 
capacidade de auto-replicação é fundamental. 
 
• Todos os organismos herdam de seus pais a 
informação genética_DNA 
 
• Conter a informação genética significa não somente 
armazenar e transmitir ao longo das gerações, mas 
expressar, ou seja, servir de molde para a síntese de 
RNAs e alguns desses serem traduzidos nas 
proteínas correspondentes 
Hereditariedade, DNA e gene 
 Ácidos nucléicos - componentes genéticos 
de qualquer organismo vivo, sendo 
responsáveis pelo armazenamento e pela 
transmissão dos caracteres hereditários 
 
 Existem basicamente 2 tipos de ácidos 
nucléicos: 
 
Revisão - Ácidos Nucléicos 
• DNA: Armazenamento da informacão genética 
 
• RNA: várias funções 
 
– RNA ribossomal (rRNA) 
– RNA mensageiro (mRNA) 
– RNA transferência (tRNA) 
Unidos por 
ligação 
covalente 
Constituição: 
 
 Uma molécula de açúcar (pentose) - 
Desoxirribose 
 Base nitrogenada – A, G, T, C 
 Uma molécula de ácido fosfórico 
 
 
 
DNA (ácido desoxirribonucléico) 
• Bases Nitrogenadas: 
 
 Purínicas: Todas são compostas por um anel 
aromático duplo (anel purina). A e G 
 
 Pirimidínica: compostos por um anel 
heterocíclico. T, C e U 
Nucleotídeos 
Nucleotídeos 
• Pentose: 
 
 
 - Ribose -Desoxirribose 
Ácido fosfórico – composto de fósforo, 
oxigênio e hidrogênio (H3PO4). Liga-se a 
pentose por uma ligação fosfodiester no 
carbono 5’. 
 
Nucleotídeos 
DNA 
Qual a estrutura do material 
genético? 
• Estrutura primária –Seqüência polinucleotídica; 
 
• Estrutura secundária – o arranjo ordenado das 
fitas de ácido nucléico. Dupla hélice (A, B e Z) 
 
• Estrutura terciária - Arranjo tridimensional dos 
ácidos nucléicos, também chamado de super 
enrolamento 
 
 
 Condensação do DNA 
O DNA é condensado 
para um décimo do seu 
comprimento. 
 
A Cromatina é 
acondicionada por 
Proteínas da Família 
das histonas: H1, H2A, 
H2B, H3 e H4. 
 
Nucleossomos 
 DNA ao Cromossomo 
DNA Nucleossomo 
Histonas 
Solenóide Alças Cromossomo 
condensado 
 DNA ao Cromossomo 
Elementos funcionais dos 
cromossomos 
1. Centrômero – DNA repetitivo ~ 170pb - 
Chamada constrição primária 
Composta de heterocromatina 
 
2. Constrição secundária – satélite – separa o 
telômero 
 
3.Telômero – Região final dos cromossomos 
 
 
Elementos funcionais dos 
cromossomos 
4. Origens de replicação (Autonomous 
replicating sequences – ARS) 
Indica locais de início de síntese 
Células de leveduras 
mutantes que não podiam 
sintetizar o aminoácido 
leucina foram transformadas 
em plasmídios que contém o 
gene para síntese de leucina 
 
No entanto estas células 
ainda não cresceram no 
meio de cultura contendo 
leucina - ou seja – não 
conseguiram replicar o DNA 
 
Replicação pode ser 
restaurada se as sequências 
ARS fossem inseridas no 
plasmídio. 
Posteriormente foiadicionada a 
sequências 
centrômerica ao 
plasmídio – mais de 
90% das células 
conseguiram se 
replicar 
 
 
Quando plasmídios 
lineares de LEU 
contendo as regiões 
CEN e ARS – não 
conseguiram crescer 
 
Se sequências 
teloméricas forem 
colocadas nas 
extremidades do 
plasmídio – 
crescimento normal 
Replicação do DNA 
• Importância – o processo 
biológico fundamental da 
reprodução requer a 
transmissão fiel da informação 
genética dos pais para os filhos 
 
• Portanto a replicação deve ser 
o mais fiel possivel. 
Ciclo celular 
O Ciclo celular é regulado por 
proteínas quinases 
• As enzimas chaves que controlam as transições 
entre os diferentes estádios do ciclo-celular e a 
entrada no ciclo de divisão – proteínas quinases 
dependentes de ciclina (CDKs) 
 
• A atividade CDK pode ser regulada: (1) síntese 
ou destruição da ciclina e (2) fosforilação e 
desfoforilação de aminoácidos específicos da 
proteína CDK 
Durante a fase G1 a CDK está 
na forma inativa 
Ela é ativada pela ligação à 
ciclina 
Passando para fase S 
No final da fase S – ciclinas 
são degradadas e CDK fica 
inativa 
Na G2 CDK inativa liga-se a 
ciclina mitótica – 
estimulando a mitose 
Final da mitose ciclina é 
degradada entrando na G1 
Replicação do DNA 
 Propriedade do DNA - Replicação ou autoduplicação: 
capacidade de fazer cópias de si mesmo. 
 
 Ocorre no núcleo celular. 
 
Processo Semiconservativo 
 
 
DNA - não é sintetizado 
isoladamente com fita livre – 
mas um molde padrão formado 
por uma fita pré-existente 
As origens e a iniciação da 
Replicação 
A replicação, tanto de DNAs 
procarióticos quanto eucarióticos, 
inicia em uma sequência particular 
chamada: Origem de replicação 
 
Origem de replicação – local 
específico para ligação de proteínas 
que iniciam o processo de 
replicação 
 
 Em Eucariontes iniciam-se em seqüência 
consenso curta composta quase que 
exclusivamente de pares de base AT. 
 
 Esta proteína iniciadora começa a desenrolar 
as fita do DNA e recruta as outras proteínas 
envolvidas na síntese de DNA 
 
 A zona de replicação é formada quando a 
dupla fita se separa e forma um V (forquilha de 
replicação). 
Replicação do DNA 
Vários pontos de replicação ao mesmo tempo 
(bolhas de replicação) 
Direção da replicação 
 
 
 
 
 Fitar líder – cresce na direção 5’ 3’, na mesma direção 
da zona de replicação, sendo sintetizada de forma 
contínua 
 
 Fita secundária – cresce na direção oposta a zona de 
replicação e de modo descontínuo. Os pequenos 
fragmentos de DNA copiados próximo a zona de replicação 
que servem como elo de ligação para formar uma fita única 
são chamados fragmentos de Okasaki. 
5’ 
5’ 3’ 
3’ 
Sentido da 
replicação 
Síntese DNA ocorre em sentido contrário 
nas duas fitas 
Proteínas requeridas para 
separação da dupla fita 
 Proteína DnaA – requer a utilização de ATP 
fazendo com que o DNA se dissolva, 
separando a dupla fita; 
 
 Proteína de ligação do DNA de fita 
simples (SSP) – mantém a fita separada na 
área da origem de replicação e protege o 
DNA das nucleases; 
 
 Helicases – Enzimas que podem se mover 
ao longo da fita dupla de DNA utilizando a 
energia da hidrólise de ATP para separar as 
duas fitas da molécula; 
Topoisomerases – Catalisam quebras e re-
ligações das fitas de DNA à frente da forquilha 
de replicação - Não requer ATP; 
 
 Primase – DNA polimerase que sintetiza 
pequenas moléculas de RNA (com 
aproximadamente 10 nucleotídeos) – que 
servem como iniciadores da síntese; 
 
DNA ligase – Liga os fragmentos de Okasaki; 
 
Complexo enzimático da forquilha de 
replicação 
mantém a fita 
separada na 
área da origem 
de replicação 
separar as duas fitas 
da molécula 
Catalisam quebras e re-
ligações das fitas de 
DNA à frente da forquilha 
de replicação 
 DNA polimerase - Responsável pela adição de 
nucleotídeos (elongação) e reparo (removendo 
nucleotídeos errados); 
 São incapazes de quebrar as pontes de hidrogênio que 
ligam as duas fitas do DNA 
 Requer um modelo ou um primer (segmento de RNA 
sintetizado pela primase) complementar para iniciação. 
 Pol I (êta)- Substitui o RNA dos primers por DNA 
 Pol III (sigma) – Síntese de DNA 
 
Complexo enzimático da forquilha 
de replicação 
Replicação do DNA 
DNAs polimerases 
• As células eucarióticas contêm cinco DNA polimerases 
clássicas: α, β, γ, δ, ε. 
 
• A polimerase γ está localizada na mitocôndria e é 
responsável pela replicação do DNA mitocondrial 
 
• As polimerases α, δ e ε apresentam maior atividade em 
células em divisão 
 
• Já a polimerase β é ativa tanto em células que estão em 
divisão quanto naquelas que não estão, e está relacionada 
a função de reparo 
Replicação em procariotos 
• A replicação de algumas moléculas circulares 
tais como plasmídios e vírus ocorre diferente da 
replicação dos eucariotos. 
 
1.Corte de nucleases – fornece uma ponta 3’ OH 
à qual são adicionados nucleotídeos 
 
2.À medida que a síntese continua a outra ponta 
do filamento é deslocada do círculo e então é 
copiada. 
3. Como não há ponto final – síntese 
continua além do círculo produzindo 
círculos de vários tamanhos 
 
4. Círculos recombinam-se liberam círculos 
de tamanho normal 
 
Replicação em procariotos 
Freqüência de erros durante a 
replicação 
Erros eventuais da DNA Polimerase - Mutações 
– eventos raros - nenhum processo é 100% 
acurado. 
 
Ex: Humanos – frequência 1 a cada 50 milhões 
de nucleotídeos adicionados a cadeia – cada 
célula 6 bilhões de pb – 120 novas mutações 
 
 Importância das mutações – aumento da 
variabilidade genética 
Mutações mais frequentes 
a) Substituição de bases 
 
b) Mutação de sentido errado – novo nucleotídeo 
altera o códon- alterando a proteína 
 
c) Mutação sem sentido – novo nucleotídeo muda o 
códon para um que especifica parada de síntese 
(TAA, TAG ou TGA) 
 
d) Mutação silenciosa – não altera o aminoácido 
 
e) inserções e deleções – base adicionada ou 
removida – se for gene – muda toda leitura.