Aula 5 Estrutura e Replicação do DNA

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ESTRUTURA E REPLICAÇÃO 
DO DNA
Aula 5
CARACTERÍSTICAS DO 
MATERIAL GENÉTICO
1. Conter grande quantidade de
informações complexas;
2. Replicar-se fielmente;
3. Traduzir suas informações
codificadas em fenótipos.
ESTRUTURA DO DNA
 Estrutura primária: sequência de
nucleotídeos;
Estrutura secundária: configuração
tridimensional estável;
Estrutura terciária: compactação do
DNA bifilamentar em cromossomos;
ESTRUTURA PRIMÁRIA:
 filamento de nucleotídeos unidos por ligações
fosfodiéster;
DNA: Ácido 
desoxirribonucleico
RNA: Ácido 
ribonucleico
Pirimidinas
Adenina Guanina
Timina
Citosina
• Os nucleotídeos do DNA são
unidos em filamentos de
polinucleotídeos por ligações
fosfodiéster que conectam o
átomo de carbono 3’ de um
nucleotídeo ao grupamento
fosfato 5’ do seguinte.
• Cada filamento polinucleotídeo
tem uma polaridade, com uma
ponta 3’ e outra 5’.
ESTRUTURA SECUNDÁRIA DO 
DNA
Cada filamento, com polaridade invertida, é 
unido ao outro por pontes de hidrogênio 
entre as bases dos filamentos opostos;
A T
C G
Cristais de uma 
subatância são 
bombardeados com 
raios x...
A interpretação do padrão de 
difração produzido pelo DNA dá 
informações sobre a estrutura da 
molécula
O espaçamento dos átomos dentro 
do cristal determina o padrão de 
difração, que aparece como pontos 
em um filme fotográfico
... Que sofrem 
difração 
(desvios)
Par de 
base
Ligação açúcar 
fosfato
Unidade de 
nucleotídeo 
monofosfato
Ligação 
fosfodiéster
Filamento polinucleotídico de DNA Filamento polinucleotíco de RNA
REPLICAÇÃO SEMICONSERVATIVA
Desenvolve-se um gradiente 
de densidade dentro do tubo. 
O DNA irá se mover para onde 
a sua densidade corresponde 
a do sal. O DNA pesado (com 
15N) irá se mover para baixo, 
o DNA leve (com 14N) ficará 
próximo do topo.
Centrifugado por vários 
dias
Tubo de centrífuga cheio de 
solução fortemente salina e 
fragmentos de DNA
DNA com 14N 
DNA com 15N
Experimento de 
Meselson e Stahl
Centrifugação de gradiente de 
densidade de equilíbrio
Pergunta: Que modelo de replicação do DNA – conservativa, dispersiva ou semiconservativa –
se aplica a E. coli?
Conclusão: A replicação do DNA em E. coli é semiconservativa.
Meio com 
15N
Leve (14N)
Transferir para 
meio com 14N 
e replicar
Replicação em 
meio com 14N
Replicação 
em meio 
com 14N
Pesado (15N)
DNA original
Filamento 
novo
Filamento 
parental
DNA de bactérias que
foram cultivadas em
meio com 15N aparece
como um única banda.
Após uma rodada de
replicação, o DNA se
apresenta como uma única
banda intermediária à
esperada com 15N e à do
DNA com 14N.
Após uma segunda rodada de
replicação o DNA aparece como
duas bandas, uma na posição do
DNA híbrido (metade 15N e metade
14N)e a outra na posição do DNA
que continha apenas 14N.
Amostras colhidas após 
rodadas adicionais de 
replicação aparecem com 
duas bandas, como na 
parte C.
A REPLICAÇÃO É SEMICONSERVATIVA: 
CADA FILAMENTO DE DNA SERVE COMO 
MOLDE PARA A SÍNTESE DE UMA NOVA 
MOLÉCULA DE DNA.
MODOS DE REPLICAÇÃO
Variam quanto ao molde de DNA – linear 
ou circular;
Variam quanto ao número de forquilhas de 
replicação;
Réplicons: unidades individuais de replicação, cada uma contém uma
origem de replicação. A replicação começa na origem e prossegue até que
todo o réplicon tenha sido replicado .
Bactérias: cromossomos com única origem de
replicação;
Eucariotos: cromossomos com múltiplas origens de
replicação;
Replicação Teta - θ;
Replicação Circular;
Replicação eucariótica linear;
Replicação teta é um tipo comum em E .coli e 
outros organismos que possuem DNA circular
Origem de 
replicação
Forquilha de 
replicação
Bolha de 
replicação
Eventualmente são produzidas duas 
moléculas circulares de DNA
Conclusão: O produto da replicação teta são 
duas moléculas de DNA circular.
A forquilha 
continua ao 
redor do círculo.
... produzindo moldes
unifilamentares para a
síntese de novo DNA.
Forma-se uma bolha de
replicação, em geral tendo
uma forquilha de replicação
em cada ponta.
Dupla fita de DNA 
desenrola na origem 
de replicação
REPLICAÇÃO CIRCULAR
A replicação é iniciada 
por uma quebra em 
um dos filamentos de 
nucleotídeos. 
A síntese de DNA inicia na 
ponta 3’ do filamento 
quebrado, o filamento interno 
é usado como molde. A ponta 
5’ do filamento quebrado é 
deslocada.
O corte libera um 
DNA linear 
unifilamentar e um 
DNA circular 
bifilamentar.
O DNA linear pode 
circularizar e servir como 
molde para a síntese de 
um filamento 
complementar.
Conclusão: Os produtos 
da replicação circular são 
várias moléculas de DNA 
circular.
corte
O ciclo 
pode ser 
repetido
Cada cromossomo 
contém várias origens
Eventualmente, as forquilhas de bolhas 
adjacentes correm uma para a outra e 
os segmentos de DNA se fundem,...
Em cada origem o DNA se desenrola 
produzindo uma bolha de replicação
Produzindo duas moléculas de DNA 
lineares idênticas.
A síntese de DNA ocorre em ambos os 
filamentos em cada ponta da bolha á mediada 
que a forquilha de replicação é continuada.
Conclusão: O produto da replicação eucariótica são duas 
moléculas de DNA lineares.
Replicação linear em 
cromossomos 
eucarióticos.
A replicação teta, a replicação
circular e a replicação linear diferem
com relação ao início e a progressão
da replicação, mas todas produzem
moléculas de DNA por replicação
semiconservativa.
NÚMERO E TAMANHO DOS RÉPLICONS
REQUISITOS DA REPLICAÇÃO:
 Molde de DNA unifilamentar;
 Matérias primas (substratos) para
serem montados em um novo
filamento de nucleotídeos;
 Enzimas e proteínas que “leiam” o
molde e montem os substratos em
uma molécula de DNA.
A síntese de DNA requer um molde
unifilamentar de DNA, trifosfatos de
dexosirribonucleosídeos, um filamento
crescente de nucleotídeos e um grupo de
enzimas e proteínas.
O novo DNA é sintetizado a 
partir de trifosfato desoxirribo-
nucleosídeos (dNTPs).
Na replicação, o grupo
3’-OH do último nucleotídeo
no filamento liga-se ao grupo
5’- fosfato do dNTP
que chega.
Dois fosfatos são 
eliminados
Uma ligação 
fosfodiéster 
forma-se entre 
dois 
nucleotídeos...
E são liberados 
íons fosfatos...
SENTIDO DA REPLICAÇÃO
5’ - 3’ em ambos os filamentos;
Filamento leading – replicação 
contínua;
Filamento lagging – replicação 
descontínua;
Como os dois filamentos têm 
polaridade inversa ...
... e a síntese de DNA 
ocorre no sentido 5’-
3’...
... a síntese de DNA de um filamento 
continua da direita para a esquerda...
...e o outro filamento da 
esquerda para a direita.
REPLICAÇÃO DO DNA BACTERIANO
Iniciação
Deselicoidização
Alongamento
Término
INICIAÇÃO
1. Reconhecimento da região 
OriC, 245pb.
2. Proteínas iniciadoras;
3. Deselicoidização;
Proteínas iniciadoras 
ligam-se a OriC, a origem 
de replicação...
... fazendo com que um 
trecho curto de DNA se 
deselicoidize. 
A deselicoidização permite 
que a helicase e outras 
proteínas de ligação 
unifilamentar se unam ao 
DNA unifilamentar.
Proteínas de ligação 
unifilamentar
DESELICOIDIZAÇÃO
1. Helicases de DNA;
2. Proteínas de ligação 
unifilamentar (SSB);
3. DNA girase – topoisomerase;
DNA helicase liga-se ao filamento molde 
lagging em cada forquilha de replicação e 
move-se no sentido 5’-3’ ao longo desse 
filamento, quebrando pontes de hidrogênio e 
movendo a forquilha de replicação.
Proteínas de ligação 
unifilamentar estabilizam 
o DNA unifilamentarexposto.
A DNA girase alivia a 
tensão à frente da 
forquilha de replicação.
PRIMERS
3’-OH livre,
Primase;
Filamento contínuo – único primer;
Filamento descontínuo – novo primer em 
cada fragmento de Okazaki;
Forquilha de replicação.
A primase sintetiza trecos curtos de nucleotídeos de 
RNA, fornecendo um grupo 3’-OH ao qual a DNA 
polimerase pode adicionar nucleotídeos de DNA.
No filamento contínuo, em que a replicação 
é contínua, é necessário apenas um primer 
na ponta 5’ do filamento recém-sintetizado.
No filamento descontínuo , um 
novo primer deve ser gerado no 
começo de cada fragmento de 
Okazaki.
Síntese de DNA
A síntese de
DNA continua
ALONGAMENTO
DNA polimerase
I e II - função na replicação;
III – principal fator de replicação –
atividade de polimerase e
exonuclease;
IV e V – função de reparo;
Características das DNAs polimerases em E. coli
DNA POLIMERASE
Características:
1. Sintetiza qualquer sequência a partir de um
filamento molde;
2. Sentido 5’-3’, adicionando nucleotídeos ao
grupo 3’-OH;
3. Usam dNTPs para sintetizar um novo DNA;
4. Requer um iniciador ou primer;
5. Catalisam a formação de ligações fosfodiéster
unindo o grupo 5’ fosfato ao grupo 3’-OH;
6. Filamentos complementares e de polaridade
reversa ao molde;
7. Associadas a várias proteínas;
DNA polimerase I – atividade exonuclease 
5’-3’, retira os nucleotídeos de RNA dos 
primers – em seguida sua atividade de 
polimerase 5’-3’ , substitui os nucleotídeos 
de RNA por DNA;
DNA ligase – une os fragmentos de 
Okazaki da fita descontínua e o primer ao 
resto da fita contínua;
DNA ligase fecha o corte com uma ligação fosfodiéster entre o grupo 
5’-P do nucleotídeo inicial adicionado à DNA polimerase III e o grupo 
3’-OH do nucleotídeo final adicionado pela DNA polimerase I.
Após o último nucleotídeo de RNA ser substituído, 
permanece um corte na sequência açúcar-fosfato 
do filamento.
A DNA polimerase I substitui 
nucleotídeos de RNA do primer por 
nucleotídeos de DNA
Nucleotídeos de DNA foram adicionados ao 
primer pela DNA polimerase III
Primer de RNA 
adicionado pela 
primase
Componentes necessários para a replicação em bactérias
Conclusão: neste modelo, o DNA deve formar uma alça de modo 
que ambos os filamentos possam se replicar simultaneamente.
... a polimerase deve liberar o molde e mudar para uma nova posição ao 
longo do molde (no terceiro primer) para reassumir a síntese.
O filamento descontínuo faz uma alça de modo que a síntese 5’-3’ pode 
ocorrer em ambos os filamentos de polaridade inversa.
A medida que a unidade de DNA polimerase III do filamento descontínuo 
chega ao final do fragmento de Okazaki previamente sintetizado com o 
primeiro primer...
A FORQUILHA DE REPLICAÇÃO
Helicase;
Ptn de ligação unifilamentar;
Girase topoisomerase;
Primase;
DNA polimerase.
TÉRMINO
Quando duas forquilhas se encontram;
Proteínas específicas como a Tus de 
E.coli bloqueiam o movimento da 
helicase parando a forquilha;
FIDELIDADE DA REPLICAÇÃO 
DO DNA
Taxa de erro da replicação: 1/1.000.000.000;
Erro da polimerase: 1/100.000;
Modificação no pareamento para a 
polimerização (atividade revisora);
Polimerase + revisão: 1/10.000.000;
Reparo do Pareamento Errado – corrige 
erros após término da replicação;
Modificação na conformação da fita gera 
modificação na estrutura secundária –
excisão do nucleotídeo incorreto -
metilação da fita molde; 
Conclusão: vários mecanismos garantem uma 
replicação de DNA altamente precisa.
... e substitui a base mal 
pareada pela correta.
As enzimas de reparo de mau pareamento 
reconhecem a deformidade na estrutura 
secundária causada pela base mal pareada...
Às vezes a revisão falha e 
um base incorreta é inserida 
no novo DNA.
... substituindo-a pela 
correta. A replicação 
continua.
... remove a base 
incorreta,...
... A DNA polimerase pára 
e...
Se uma base 
incorreta é 
adicionada...
A DNA polimerase pareia os nucleotídeos 
durante a replicação do DNA com uma 
alta taxa de precisão.
REPLICAÇÃO DO DNA EUCARIÓTICO
Apresentam:
Múltiplas origens de replicação;
Vários tipos de DNA polimerase com 
diferentes funções;
Montagem dos nucleossomos 
imediatamente depois da replicação;
DNA polimerase em células eucarióticas
ORIGENS EUCARIÓTICAS
Múltiplas origens de replicação;
Complexo multiproteico reconhece 
a origem (ARS) e inicia a forquilha 
de replicação;
MONTAGEM DO NUCLEOSSOMO
Histonas antigas e novas se complexam
formando octâmeros em torno das fitas
de DNA sintetizadas;
O FIM DA FITA...
TELÔMERO
Sequência de DNA repetitivo;
Evita a perda de genes nas extremidades da 
fita descontínua;
Telomerase – evita o encurtamento das 
pontas das fitas do DNA em células com 
capacidade em contínua divisão;
- leva um molde de RNA para 
a polimerização de uma sequência não 
codificante na ponta 3’;
Obrigada
REFERÊNCIA
Pierce; B.A. Genética – Um Enfoque Conceitual.
Capítulo 10 – DNA: A Natureza Química do Gene;
Capítulo 12 – Replicação do DNA e Recombinação.