Estrutura DNA 1

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Biologia Molecular da Célula, capítulo 4 
Dra. Eldamária de Vargas Wolfgramm dos Santos 
 
 Manutenção da vida: capacidade das células 
em armazenar, obter e traduzir as instruções 
genéticas para manter o organismo vivo. 
 
Informação hereditária 
Instruções armazenadas nos genes 
 Que tipo de molécula pode ser capaz de 
replicação tão acurada e de dirigir o 
desenvolvimento de um organismo e a vida 
diária de uma célula? 
 
 
 Que tipos de instruções estão contidas nas 
informações genéticas? 
 
 
 Como estas informações estão organizadas 
fisicamente para conter no espaço de uma 
célula? 
 Mendel → Genes: “fatores” hereditários 
associados a características específicas, mas 
sua natureza física não era conhecida. 
 
 A hipótese um gene – uma proteína. 
 
 Genes localizados nos cromossomos. 
 
 1920 → experimentos: DNA – o material genético 
Histórico 
• 1928 – Frederick Griffith: a descoberta da 
transformação 
Histórico 
Que componente químico das células doadoras 
mortas tinham causado essa transformação? 
• 1944 – Oswald Avery e Colin MacLeod e Mclyn MacCarty 
Primeira demonstração de que os genes são 
compostos de DNA 
DNA = princípio transformante 
Histórico 
 1952 - Experimento de Hershey-Chase 
Histórico 
 
O DNA é o material genético 
 
 A estrutura do DNA deve permitir uma 
replicação fiel. 
 
 O material genético deve ter conteúdo 
informacional. 
 
 O material genético deve ser capaz de mudar 
em raras ocasiões. 
 
Propriedades do material genético 
 As peças do quebra cabeça 
 
1. Os blocos estruturais do DNA 
Nucleotídeo 
O modelo antes de Watson e Crick 
2. As regras de Chargaff 
 
 Bases pirimídinicas (T + C) = bases purínicas (A + G) 
 
 T = A 
 
 C = G 
 
 A + T não é necessariamente igual a C + G 
 
O modelo antes de Watson e Crick 
 2. As regras de Chargaff 
O modelo antes de Watson e Crick 
3. Análise de difração de raios X do DNA 
 
O modelo antes de Watson e Crick 
3. Análise de difração de raios X do DNA 
 
 DNA é longo e fino 
 
 Duas partes similares e paralelas que correm ao 
longo da molécula 
 
 Molécula helicoidal (em espiral) 
O modelo antes de Watson e Crick 
 ► O DNA tem estrutura de dupla hélice 
 Pontes de hidrogênio entre as regiões das bases 
mantêm as duas cadeias juntas 
Bases no interior e 
açúcares e fosfatos 
na região externa 
da dupla hélice 
O modelo de Watson e Crick 
 Os nucleotídeos são ligados por ligação 
fosfodiéster:extremidade 5’ de uma desoxirribose ao 
átomo 3’ da desoxirribose adjacente. 
Estrutura do DNA 
 A forma pela qual as subunidades nucleotídicas 
estão alinhadas e ligadas confere uma polaridade 
química à fita. 
 
Extremidade 3’ e Extremidade 5’ 
• Fitas organizadas na 
posição antiparalela 
Estrutura do DNA 
 A molécula de DNA possui complementaridade de 
bases: 
 - Arranjo energético 
mais favorável 
 - Largura similar ao 
longo da dupla fita de 
DNA 
Estrutura do DNA 
A – T C – G 
 Pares de bases empilhados no centro da molécula 
 
Maximizar eficiência da compactação 
DUPLA HÉLICE 
Um volta completa a cada 10 pb 
 
•Fitas sejam antiparalelas 
•Polaridades opostas 
 A estrutura em dupla hélice - estrutura de 
proteínas 
A descoberta de Watson e Crick 
Nature, 1953 
“Nós queremos sugerir 
uma estrutura para o sal 
de ácidos 
desorribonucleico” 
 Como a informação de um organismo 
pode ser transmitida? 
 
 E como é copiada com precisão? 
•O DNA codifica a informação por meio da 
ordem de nucleotídeos 
 
•Cada individuo possui diferentes sequencias 
nucleotídicas → variabilidade 
 
 Quase todo o DNA, em eucariotos, está 
localizado no núcleo (10% do volume celular total) 
 
Compartimentalização: 
 Concentrações de materiais onde são necessários à 
célula 
 Enzimas citoplasmáticas separadas das enzimas 
nucleares 
 Ambiente favorável para reações bioquímicas - alta 
concentração de substratos e enzimas 
 Série completa de informações do DNA de um 
organismo = GENOMA 
 
 
 Informação para todas as proteínas e 
moléculas de RNA que o organismo irá 
sintetizar. 
Como os genes estão organizados nos cromossomos? 
Em eucariotos: 
 DNA nuclear dividido 
em diferentes 
cromossomos 
 
 46 cromossomos, sendo 
22 pares homólogos 
(autossomos) mais dois 
cromossomos sexuais. 
 
 Representação dos 46 cromossomos = 
CARIÓTIPO. 
Lâmina microscópica de cromossomos humanos 
Procariotos: 
 Genes presentes em uma única molécula de 
DNA 
 
 Geralmente circular 
 
 DNA associado a proteínas → 
empacotamento ≠ eucariotos 
Pouco conhecido 
 A forma como o genoma é dividido em cromossomos 
varia entre as espécies 
 Espécies muito relacionadas podem apresentar n° e 
tamanhos de cromossomos distintos. 
 Cromossomos carregam os genes = 
unidades funcionais da hereditariedade 
Intercalados por sequências que parecem não 
ter informação relevante = “DNA lixo” 
 
Porém parte dessa sequencia é essencial para 
expressão gênica 
 Em muito genes: proporção de íntrons maior que a de 
éxons. 
 
 Gene da Distrofina ligado ao X (Distrofia muscular de 
Duchenne): mais de 2 milhões de pares de base, 
sendo menos de 1% de éxons. 
 
 Em organismos mais simples: a maioria não 
possui introns → genes menores e proporção mais 
alta de DNA codificante 
Estrutura e organização do gene 
Tipos de DNA 
 Cópia única ou não-repetitivo: 1 cópia por genoma, 
representa aproximadamente 45% do genoma humano. 
 DNA repetitivo: repetido várias vezes no genoma. 
Representa 55% do genoma humano 
não ocorrem em 
tandem; ocorrem 
espalhadas 
DNA satélite 
10% do genoma 
DNA repetitivo disperso 
45% do genoma 
DNA Repetitivo 
Encontram-se agrupados, in 
tandem 
•Minissatélites: 14 a 500 pb 
•Microssatélites: 1 a 6 pb 
Variam entre os indivíduos 
 DNA repetitivo disperso: 
SINE 
•Elementos curtos 
intercalados 
•Tamanho: 90 a 500 pb 
Ex. repetição Alu 
•Constituem 10% do genoma 
LINE 
•Elementos longos 
intercalados 
•~7.000 pb 
 
Gerar cópias de si mesmas → inserir em outras partes do genoma 
Cromossomo 
mitótico 
Os cromossomos existem 
em estados diferentes 
durante a vida da célula 
 Cromossomo deve ser capaz de se replicar 
 Cópia replicada deve ser separada e dividida 
corretamente entre as células filhas. 
Complexo 
proteico = 
cinetócoro 
•Seq. Repetidas 
•Extremidades 
replicadas 
•Evitar confusão 
com mol. DNA 
quebrada 
 DNA humano: aproximadamente 2 m 
 Núcleo: 6 µm de diâmetro 
Estrutura dos cromossomos 
Como o DNA está 
compactado dentro da 
célula? 
 Cromossomo: complexo de DNA mais proteínas 
 
 
 
- Proteínas: 
- Histonas 
- Proteínas cromossômicas não-histonas 
CROMATINA 
1º nível de compactação: 
nucleossomos - unidade estrutural 
básica da cromatina (1974) 
Aparência de um colar de contas 
Estrutura dos cromossomos 
 octâmero de histonas: 
2H2A, 2H2B, 2H3 e 2H4 
Formação do cerne 
 Histonas 
 
 102 a 135 aa 
 Altamente conservadas → papel fundamental no 
controle da estrutura da cromatina 
 Interface DNA—histona = 142 ligações de hidrogênio 
+ lig. hidrofóbicas e pontes salinas 
Histonas → cauda N-terminal para fora do 
cerne 
 
Sofremmodificações covalentes 
 
 
Alteram a estrutura e função da cromatina 
Nucleossomos 
possuem uma 
estrutura 
dinâmica 
 
O nucleossomo 
formado não fica 
fixo a um 
determinada 
posição 
 
A cromatina é dinâmica para 
permitir acesso ao DNA 
 Necessidade de um afrouxamento adicional entre DNA 
e histonas → Alteram a estrutura do nucleossomo 
 
 
Catalisam o 
deslizamento do 
nucleossomo e 
disponibilizam o 
DNA para outras 
proteínas 
A posição do nucleossomo no DNA depende 
da presença e da natureza de outras 
proteínas ligadas à molécula do DNA 
 Os nucleossomos são condensados para formar uma 
fibra de cromatina de 30 nm. Como? Mistério 
 
 Modelo do zigue-zague ou modelo de solenoide com 
nucleossomos intercalados 
O que causa o empilhamento entre 
os nucleossomos? 
 Hipóteses: 
 A) Ligações entre nucleossomos pelas caudas das 
histonas – principalmente H4. 
 B) Presença da Histona H1 
B 
A 
 1930 - Dois tipos de cromatina: 
 Eucromatina: 
• menos condensada 
 
 Heterocromatina: 
• mais condensada; 
• presente em vários locais no cromossomos, mas há a 
ocorrência de localizações específicas. 
• Ex.: centrômero 
• Pouco genes → desligado 
Gene expresso na 
eucromatina 
Reposicionado 
em 
heterocromatina 
Expressão 
suspensa 
Efeito 
posicional 
As histonas do cerne dos nucleossomos são 
modificadas covalentemente 
 
 Modificações ocorrem nas cadeias laterais 
 Enzimas específicas 
 Acetilação: acetil-transferases de histonas 
(HATS) 
 Desacetilação: Desacetilases de histonas 
(HDCA) 
Ocorre nas caudas N-terminais 
Afrouxamento na cromatina → redução na afinidade 
das caudas aos nucleossomos adjacentes 
 As modificações covalentes + presença de 
variantes de histonas produzem um “código de 
histonas” 
 
Exemplo: indicar que: 
 A) a cromatina foi replicada 
 B) DNA da cromatina está danificado 
 C) Quando e como a expressão gênica de ocorrer 
As modificações 
covalentes são 
dinâmicas 
Elas são constantemente 
removidas e adicionadas a 
velocidades que dependem 
da localização 
cromossômica 
 Assim...o processo 
de modificação do 
nucleossomo 
ocorre devido a um 
“complexo de 
leitura e escrita” 
 A região centromérica possui a presença de variantes 
de histonas que interferem no seu processo de 
condensação → CENP-A (variante da H3); sequência 
específica de DNA; ligação a um único microtúbulo. 
 Organismos mais complexos não há um 
sequência de DNA específica 
 
 Os centrômeros de organismos complexos são 
definidos por um conjunto de proteínas alternadas ao 
invés de uma seq. nucleotídica. 
Existência de um nível superior de 
compactação à fibra de 30 nm 
 Inferência com 
bases nos 
cromossomos 
plumosos – 
oócitos de 
anfíbios 
As alças de cromatina são descondensadas quando 
os genes nelas contidos são expressos 
 
A posição de um 
gene no núcleo é 
alterada quando 
este é expresso. 
Presença de regiões 
funcionais distintas 
 O núcleo apresenta subcompartimentos 
•Nucléolo 
•Corpos de Cajal 
•Grânulos de 
intercromatina 
Redes de RNA 
e proteínas 
•Formados apenas 
quando necessários 
•Alta [ ] de enzimas e 
RNA para um processo 
•Não possuem 
membranas 
Os cromossomos 
mitóticos são formados por 
cromatina no seu estado 
mais condensado 
Nível final de 
compactação 
cromossômica 
 Compactação dos cromossomos mitóticos: 
 
 Cromátides-irmãs facilmente separadas 
 Proteger o DNA de quebras durante a separação 
entre as células-filhas 
 
A compactação é 
auxiliada pelas 
condensinas