dna, replicacao e condensacao dos cromossomos

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Material genético
DNA e Estrutura Molecular 
dos Cromossomos
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Ácidos Nucléicos
 Toda a informação que uma célula necessita durante a
sua vida e a de seus descendentes, está organizada em
forma de código nas fitas dos ácidos nucléicos
 Constituem os armazenadores e transmissores de
informação nos seres vivos
 Existem dois tipos de ácidos nucléicos
 Ácido desoxirribonucléico ou DNA
 Ácido ribonucléico ou RNA
 Ambos são polímeros lineares de nucleotídeos conectados entre
si via ligações covalentes denominadas ligações fosfodiéster
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Proteínas
 A forma e o funcionamento de qualquer célula são
decorrentes direta ou indiretamente da presença de um
arsenal de proteínas.
 As proteínas são macromoléculas informacionais
sintetizadas sob o comandos de instruções específicas
presentes nos ácidos nucléicos.
 Alterações nos genes podem acarretar em mudanças
na conformação e na atuação das nossas proteínas
 De maneira simplista, cada gene (parte funcional do
DNA) codifica uma proteína
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Proteínas:níveis de complexidade estrutural
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Qual molécula possui a 
informação genética?
1928, Griffith, F. 
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•1952: Alfred D. Hershey e Martha Chase
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DNA: material genético
 Núcleo sob forma de cromossomos;
 Mitocôndrias;
 Cloroplastos de células vegetais.
 Bactérias
 Vírus
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Funções do Material Genético
 Replicação – função genotípica
 Expressão gênica – função fenotípica
 Mutações – função evolutiva
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DNA: 
Estrutura e 
Composição
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DNA: composição
Grupo fosfato Açúcar com cinco carbonos
(pentose)
Bases nitrogenadas
Pirimidinas Purinas
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Bases Nitrogenadas
 As bases nitrogenadas são de dois tipos: 
 Púricas: Adenina (A) e Guanina (G) 
 Pirimídicas: Timina (T), Citosina (C) e Uracil (U)
 As purinas são constituídas de dois anéis fundidos de 5
e 6 átomos e as pirimidinas de um único anel de 6
átomos
 Apenas quatro tipos diferentes de bases são
encontrados em um dado polímero de ácido nucléico
 No DNA as bases constituintes são A, G, C, e T
enquanto no RNA são A, G, C, e U
 Uracila e Timina são moléculas bastante relacionadas,
diferindo apenas pelo grupo metila encontrado no átomo C5
do anel pirimídico da Timina
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Bases 
Nitrogenadas
(a) Bases Pirimidinas
(b) Bases Purinas
DNA: A, T, G, C
RNA: A, U, G, C
(2 anéis de Carbono e 
Nitrogênio)
(1 anel de Carbono e 
Nitrogênio)
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DNA: Composição
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Ácidos nucléicos
Nucleotídeo: grupo fosfato + pentose + base nitrogenada
• Composição química
DNA RNA
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Erwin Chargaff
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Descobertas que ajudaram na elucidação 
da estrutura do DNA
 1953 – Rosalind Franklin 
e Maurice Hugh 
Frederick Wilkins
1920 - 1958
1916 - 2004
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1953: James Watson
Francis Crick
Estrutura do DNA
2003: James Watson Born 1928 
Francis Crick Born 1916
Died 2004 
Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962
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Estrutura do DNA
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Estrutura do DNA
 James Watson e Francis Crick (1953)
 modelo tridimensional para a estrutura do DNA
baseando-se em estudos de difração de raio-X
Duas cadeias helicoidais de DNA, enroladas
ao longo de um mesmo eixo, formando uma
dupla hélice de sentido rotacional à direita.
Na dupla hélice as duas fitas de DNA estão
em direção opostas, isto significa que são
anti-paralelas.
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Estrutura do DNA
 O grupo fosfato e o açúcar (parte hidrofílica) - estão
localizados na parte externa da molécula
 As bases nitrogenadas (parte hidrofóbica) - estão
localizadas na parte interna da molécula
 O pareamento das bases de cada fita se dá de
maneira padronizada, sempre uma purina com
uma pirimidina, especificamente: adenina com
timina e citosina com guanina
 A proximidade destas bases possibilita a formação
de pontes de hidrogênio
Adenina forma duas pontes de hidrogênio com
a timina e a citosina forma três pontes com a
guanina
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DNA: Estrutura
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O B-DNA é o predominante em condições fisiológicas
A Dupla Hélice
1 volta = 11 pb 1 volta=10 pb 1 volta=12pb
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O DNA A é formado em condições com pouca
água.
O DNA B é o mais frequente, mas o DNA Z
também é encontrado na célula, quando existe
alta concentração de cátions.
Admite-se que o DNA Z é "silencioso", isto é, não
pode ser transcrito.
A transição B-Z seria, assim, um recurso para
silenciar grandes blocos de genes. (Metilação!)
Já existem 21 estruturas de DNA conhecidas!
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A forma predominante de torção da espiral do DNA é 
para a direita ou sentido horário
A e BZ
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Estabilidade do DNA
 A estabilidade da dupla hélice resulta em parte do
grande número de pontes de hidrogênio entre os pares
de bases
 A estabilidade e regularidade estrutural da molécula de
DNA, deve-se principalmente ao fato dos anéis de
desoxirribose não possuirem grupos hidroxila no C2’
 Isto é uma característica desejável para
uma molécula que tem armazenado e
transmitido a informação genética durante
milhões de anos de evolução.
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Propriedades Químicas e Físicas do DNA
PH=7,0
PH alcalino para separar as fitas
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Temperatura oC
T’m
Desnaturação de DNA
Temperatura de fusão (melting)
metade das fitas está separada
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Desnaturação em função do 
conteúdo de GC
T’m
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DNA x RNA
 As diferenças entre RNA e DNA não se
restringem aos tipos de monômeros
constituintes
 Na maioria das vezes o DNA apresenta-se como
uma longa hélice dupla com uma estrutura
secundária regular e simples
 Os RNAs são, geralmente, moléculas de fita única
bem menores que o DNA, apresentando uma enorme
diversidade de estruturas secundárias
 Estas características estruturais estão
relacionadas às funções destas duas
macromoléculas na célula
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Flexibilidade do RNA
 O RNA, constituído de riboses é muito mais reativo e 
flexível que o DNA
 Além disto, o fato de ser fita simples permite um 
emparelhamento intramolecular de bases, gerando 
estruturas bastante complexas
 Ao adquirir diferentes conformações numa estrutura 
tridimensional, as moléculas de RNA podem, inclusive, 
apresentar sítios ativos que catalisem reações químicas da 
mesma forma que as enzimas protéicas
 A grande flexibilidade dos RNAs que lhes permite 
executar uma atividade fundamental na célula
 Interpretar o código contido na linguagem de nucleotídios e 
descodificá-lo para a linguagem de aminoácidos
 A molécula de RNA é o intermediário no fluxo de informações 
dentro da célula, do DNA às proteínas 
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A hidrólise básica depende de 
uma desprotonização do grupo 
2'-OH da ribose, com formação 
de um composto cíclico 
intermediário 
A falta da hidroxila 2' na 
deoxirribose torna o DNA muito 
mais resistente à hidrólise em 
meio aquoso
Este é o provável motivo pelo 
qual o DNA e não o RNA evoluiu 
como arquivo genético
Ao contrário do DNA, o RNA 
pode hidrolisado por base
Figure 10.1 General structure of viruses
10-5
 DNA Viral
 Fita simples ou fita dupla
bicamada lipídica 
quando o vírus sai 
da célula hospedeira
Dna bacteriano
Prof. Dr.
Marcos Sousa 35
Organização 
Molecular da 
Cromatina
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O envelope nuclear e a cromatina
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O corpo de um humano adulto contém 
aproximadamente 1014 células, e 
portanto, um DNA total de 2 x 1011km!
Circunferência da Terra – 4x10
4
km;
Distância entre a Terra e o sol – 1,5x108km;
A E. coli mede 2 mm e seu DNA, 
1,7mm! 850x maior...
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CROMATINA INTERFÁSICA E CROMOSSOMO MITÓTICO
Prof. Dr. Marcos Sousa 3939
Organização do DNA em 
Cromossomos
 Cromossomos
 DNA e Proteínas
 Telômero, centrômero
 Procariotos
 Um único cromossomo (DNA circular)
 Plasmídeos (moléculas menores de DNA
extracromossomais)
 Eucariotos
 Vários cromossomos (DNA linear)
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Procariontes x Eucariontes
 Um único 
Cromossomo.
 Uma molécula de
DNA circular.
 Mecanismo de
compactação distinto
dos eucariontes.
 Vários cromossomos.
 Uma molécula de
DNA linear em cada
cromátide.
 Compactado com o
auxílio de proteínas.
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Cromossomo Bacteriano
 Única molécula de Dna circular localizada 
na região nucleóide da célula.
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Compactação procariontes
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Prof. Dr. Marcos Sousa 4444
1/3 Dna 
2/3 proteínas
Proteínas: 
1. Histonas : 
a) H1
b) Nucleossômicas: (H2a, H2b, H3 e H4)
2. Não- histônicas
Componentes do Núcleo de Eucariontes
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Cromossomo
Compactação do DNA 1,8 m de DNA em 
6 mm de núcleo.
Mudanças no estado de compactação têm 
influência na atividade dos genes.
Complexo DNA + Proteínas = cromossomo
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Proteínas
 Proteínas que participam do cromossomo 
- Histonas
Proteínas com carga + (presentes em grandes 
quantidades).
H1 - H2A - H2B - H3 - H4
 Nucleosomo: 200 pb + histonas
 Proteínas não histonas
Regulatórias, polimerases, etc.
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Histonas
 Principais proteínas estruturais dos
cromossomos eucarióticos
 Associam-se com o DNA para formar
nucleossomos – unidades que formam os
cromossomos
 Relativamente pequenas com massa
aproximada ao do DNA
 Tipos – Histonas nucleossômicas e histonas H1.
 Unidade fundamental de compactação
 60 milhões de moléculas por cada tipo de
célula.
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Histonas:
Histona Peso Mol. No. de Porcent.
Amino Ac Lys + Arg
H1 22,500 244 30.8
H2A 13,960 129 20.2
H2B 13,774 125 22.4
H3 15,273 135 22.9
H4 11,236 102 24.5
As histonas tem aminoácidos carregados positivamente
(básicos) que se ligam aos nucleotídeos carregados
negativamente (ácidos) do DNA.
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Prof. Dr. Marcos Sousa 4949
Proteínas Não histônicas
 (Proteínas ácidas, proteínas 
cromossomais não histônicas)
Ajudam a regular a transcrição e a 
replicação do DNA
Mais de 30 tipos
Polimerases, etc.
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Fibras sem enovelamento
Prof. Dr. Marcos Sousa 51
Nucleossomo
Prof. Dr. Marcos Sousa 5252
As fibras de nucleoproteínas de 10 nm
– Nucleossomos + 60 (approx) bp DNA
Prof. Dr. Marcos Sousa 53Prof. Dr. Marcos Sousa 53
Prof. Dr. Marcos Sousa 54
10
Prof. Dr. Marcos Sousa 5555
Fibras de 30 nm
Prof. Dr. Marcos Sousa 5656
Cromossomo mitótico
 H1 aumenta o grau de enovelamento -
maior nível de fosforilação.
 Cromossomos formam grandes alças 
(35 - 100 kb) ao redor de uma matriz 
protéica.
 Matriz composta de várias proteínas -
topoisomerase II
Prof. Dr. Marcos Sousa 5757
Prof. Dr. Marcos Sousa 58
Núcleo
 Heterocromatina
 Eucromatina.
 Organização 
para a ativação 
de genes.
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Graus de Compactação do DNA
Cromatina
Eucromatina Heterocromatina
menos compactada
mais compactada
Cromossomos 
Estado mais condensado na Mitose ou Meiose 
associado com proteínas
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Eucromatina e Heterocromatina
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Prof. Dr. Marcos Sousa 61
Material genético
Replicação do DNA
Prof. Dr. Marcos Sousa 62
 Duplicação da fita 
garante a 
manutenção da 
informação 
Genética
Duplicação do DNA
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Como é a Replicação?
3 possibilidades:
Experimentos 
para 
verificar
a replicação do 
DNA
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•Meselson-Stahl
A replicação é semi-conservativa
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DNA:
Replicação semi-conservativa
A partir de cada uma fita
de DNA molde, é
formada uma fita de
DNA filha
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Início da Replicação
 Origem de replicação 
 Ricas em AT
 E. coli
 Cromossomo 4.6 x 106 pares de nucleotídeos
 Forquilha de replicação: 500-1000 nucleotídeos/seg
 30-40 minutos
 Eucariontes 
 Cromossomo linear – 150 x 106 pares de nucleotídeos
 50 nucleotídeos por segundo
 Devido as múltiplas origens de replicação levam o 
mesmo tempo que os procariontes.
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Origens de replicação
1 origem em 
procariontes
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Origens de replicação
Múltiplas origens em eucariontes
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REPLICAÇÃO
BIDIRECIONAL
Um experimento através da autoradiografia 
de moléculas de DNA marcadas de culturas 
de células mamárias revelou grupos de 
replicons (unidades de replicação) com um 
ponto de origem de replicação central
OR OR
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PROCESSO DE REPLICAÇÃO
Os mecanismos celulares responsáveis pela
replicação do DNA foram descobertos
primeiramente em bactérias.
A replicação em eucariotos ocorre através
de proteínas análogas e com processos
semelhantes à replicação do DNA de E. coli
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Polimerização do DNA: DNA polimerase
 1957
Usa 
desoxiribonucleotídeos
trifosfatados livres
Necessita de uma fita 
simples de DNA molde
Sentido 5’-3’
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Adição nucleotídeo à fita nascente
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Adição nucleotídeo à fita nascente
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Prof. Dr. Marcos Sousa 75
ENZIMAS
Início
DNA helicase
Proteínas SSB
RNA primase
DNA topoisomerases tipo I e tipo II
Elongação
DNA polimerase
DNA topoisomerases tipo I e tipo II
Finalização
DNA ligase
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ENZIMAS ENVOLVIDAS NO 
PROCESSO DE REPLICAÇÃO
HELICASES – constituem uma classe de 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 – Responsáveis por aliviar a torção na
parte da fita que não está sendo replicada.
SSB (“single-strand-binding”) – ligam-se a cada uma das fitas
impedindo o reanelamento das mesmas.
PRIMASE – RNA polimerase que sintetiza pequenas moléculas
de RNA utilizadas como iniciadores durante o processo de
replicação do DNA.
POLIMERASE – DNA polimerase sintetiza as novas cadeias.
Elas capturam os nucleotídeos levam ao dna molde e os ligam
ao nucletídeo anterior.
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A replicação
 Todas as enzimas DNA polimerases promovem 
o crescimento da fita de DNA somente na 
direção de 5’para 3’, isto porque estas enzimas 
só agem na hidroxila da extremidade 3’ livre 
adicionando os nucleotídeos. 
 Se o DNA é antiparalelo ou seja, uma fita 
ocorre no sentido 5’ → 3’ e a outra no 
sentido 3’ → 5’
 Como ocorre então a replicação nos dois 
sentidos?
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Replicação em cada fita é
assimétrica
Ambas as cadeias são sintetizadas no sentido 5´ => 3´. 
A cadeia leading (líder) é sintetizada continuamente, 
enquanto a cadeia lagging (atrasada) é sintetizada
descontinuamente.
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Prof. Dr. Marcos Sousa 80
Prof. Dr. Marcos Sousa 81
As enzimas e suas ações
 Polimerases: todas
podem tanto 
adicionar como remover nucleotídeos, 
somente no sentido 5’ → 3’. 
 Quando removem do final do filamento 
são chamadas de exonucleases. 
 Se os removem em algum outro lugar do 
filamento, são chamadas de 
endonucleases. 
 A remoção é feita no sentido inverso, ou 
seja 3’ → 5’)
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DNA Polimerase em E. coli (procariotos)
Tipo Função 
DNA Polimerase I Catalisa o crescimento da cadeia no 
sentido 5´3´
Atividade de exonuclease 3´5´ e 5´3´
Preenche pedaços pequenos de DNA 
durante a replicação e processo de 
reparo 
DNA Polimerase II Polimerase alternativa de reparo, mas 
também pode replicar DNA quando o 
filamento molde é danificado 
DNA Polimerase III Catalisa o crescimento da cadeia no 
sentido 5´3´. É a polimerase primária 
durante a replicação normal do DNA 
Prof. Dr. Marcos Sousa 83
Término da Replicação
 Terminação ocorre na região ter do
cromossomo de E. coli.
 Região ter rica em Gs e Ts, sinaliza o fim da
replicação.
 Substância de utilização de terminação (Tus)
liga-se à região ter.
 Tus previne forquilha de replicação através da
inibição da atividade de helicase.
Prof. Dr. Marcos Sousa 84
E. coli
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Nos eucariotos existem outras DNA 
polimerase análogas às dos procariotos
DNA Polimerase em eucariotos Função 
DNA Polimerase α (alfa) Replicação do cromossomo nuclear 
(fita lagging) 
DNA Polimerase β (beta) Reparo de DNA no preenchimento de 
espaços do cromossomo nuclear. 
Análoga a Polimerase I 
DNA Polimerase γ (gama) Replicação de DNA mitocondrial 
DNA Polimerase δ (sigma) Replicação do filamento leader a da 
lagging do cromossomo nuclear 
DNA Polimerase ε (epsilon) Reparo do DNA do cromossomo 
nuclear 
DNA Polimerase ζ (dzeta) Aparentemente reparo de DNA 
Prof. Dr. Marcos Sousa 86
A replicação em eucariotos
 Nos fragmentos de Okasaky, os primers de RNA são 
removidos por uma Rnase que é complementado por 
uma polimerase de reparo.
 A finalização da replicação é feita com a formação de 
estruturas complexas no topo do cromossomo, os 
telômeros
Prof. Dr. Marcos Sousa 87
Reparo do DNA
 Células requerem um meio p/ reparar perdas, bases
alteradas ou incorretas, erros devido a inserção ou
deleção de bases, dímeros de pirimidina induzidos por
UV, quebras de fitas ou crosslinks (lig. cruzada).
 Esta revisão e a capacidade de correção é muito
importante pelo fato de que erros na replicação
comprometem toda a espécie enquanto que erros na
transcrição ou na tradução comprometem apenas uma
proteína de determinada célula.
Prof. Dr. Marcos Sousa 88
Telômeros e Telomerase
• A síntese da fita “leading” continua até o término da
fita molde de DNA, no entanto, no telômero a
extremidade feita pela RNA primase na fita “lagging”
não é digerida.
• Como o iniciador é instável, ele se degrada com o
tempo diminuindo, assim, o tamanho do cromossomo.
•Nas células germinativas e da medula óssea o gene
da telomerase está ativo e assim não ocorre o
encurtamento dos telômeros. Nas outras células a
telomerase não está ativa.
Transcriptase Reversa
ribonucleoproteína (RNP) 
Prof. Dr. Marcos Sousa 89
Telômeros
 Complexos de DNA -
proteínas que se encontram 
nas extremidades dos 
cromossomos lineares;
 Formados por repetidas 
sequências simples de 
DNA:
5’ TTAGGG 3’
 Protege e caracteriza as 
extremidades 
cromossômicas
Prof. Dr. Marcos Sousa 90
A Telomerase
 Reconhece a extremidade rica em G do telômero 
 Aumenta por complementaridade (molde de RNA) o 
comprimento dos telômeros
 Espaço necessário para a adição de um primer de 
RNA continuação da replicação