Estrutura e replicação de DNA

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Nucleotídeos e ácidos nucléicos
Universidade Federal de Goiás
Instituto de Ciências Biológicas
Departamento de Bioquímica e Biologia Molecular
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Nucleotídeos e ácidos nucléicos
Funções dos Nucleotídeos:
Moeda energética
Ligações químicas na resposta a hormônios
Componentes de cofatores enzimáticos
Constituintes de ácidos nucléicos
Armazenam e transmitem informação genética
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Base nitrogenada
Pentose
Um ou mais fosfatos
Nucleosídeos: Nucleotídeos sem grupamento fosfato
Componentes dos Nucleotídeos
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Base púrica ou pirimídica
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Ligações covalentes unem os componentes dos nucleotídeos
Base nitrogenada:
Ligação entre carbono 1’ da pentose (N-beta-glicosídica) e N1 (pirimidinas) ou N9 (purinas)
Fosfato: ligação éster no carbono 5’
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Principais bases púricas e pirimídicas
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Pergunta
Relembrando bioquímica I:
Como se configuram as pentoses em ambiente aquoso?
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Resposta
De forma circular, análoga à molécula de furano (furanose)
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Tipos de pentoses
DNA: desoxirribonucleotídicas
RNA: ribonucleotídicas
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Tipos de Desoxirribonucleotídeos e de Ribonucleotídeos
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Tipos de Desoxirribonucleotídeos e de Ribonucleotídeos
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Pergunta
	Sabendo uma molécula de DNA pode eventualmente conter Uracila e uma molécula de RNA pode eventualmente conter Timina, como identificar cada uma?
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Resposta
Pela análise da base nitrogenada.
Se a molécula contém desoxirribonucleotídeos, é DNA, mesmo contendo uracila.
Se a molécula contém ribonucleotídeos, é RNA, mesmo contendo timina.
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Bases secundárias de nucleotídeos
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Variações em grupamentos fosfato
Podem não estarem ligados no carbono 5’
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Ligação entre nucleotídeos
São ligados por “pontes” de grupos fosfato entre o grupo 5’-fosfato de uma unidade e o 3’ hidroxila do próximo nucleotídeo.
LIGAÇÃO FOSFODIÉSTER
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Pergunta
O DNA e o RNA são moléculas hidrofílicas ou hidrofóbicas?
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Resposta
Hidrofílicas
Os grupos hidroxila das pentoses formam pontes de hidrogênio com a água e os grupamentos fosfatos carregados negativamente podem fazer interações iônicas
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Hidrólise de RNA em meio alcalino
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Nomenclaturas convencionais
Oligonucleotídeos: geralmente menos que 50 pares de bases
Polinucleotídeos: geralmente com mais que 50 pares de bases
Representação: sempre no sentido 5’ 3’
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Purinas e Pirimidinas afetam a estrutura tridimensional de DNA e RNA
Purinas e pirimidinas livres são fracamente básicas (bases nitrogenadas)
Aromáticos (absorvem UV)
Promovem ligação de hidrogênio entre grupos amino e carbonila (Watson e Crick)
Adenina liga-se a Uracila e Timina
Guanina liga-se a Citosina
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Purinas e Pirimidinas afetam a estrutura tridimensional de DNA e RNA
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Estrutura dos ácidos nucléicos
1953 – Watson e Crick
Estrutura primária: estrutura covalente e sequência dos nucleotídeos
Estrutura secundária: qualquer estrutura regular e estável
Estrutura terciária: Cromossomos, cromatina, nucleóide bacteriano
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Histórico
1868 – Miesher isolou uma molécula contendo fósforo (nucleína)
1940 – Avery e colaboradores descobriram que DNA de uma linhagem virulenta de Streptococcus injetado na linhagem avirulenta transformava esta em virulenta.
DNA carregava informação genética
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1940 – Chargaff e colaboradores descobriram que as 4 bases eram encontradas em proporções diferentes em cada organismo
A composição de DNA varia entre espécies
Não varia entre tecidos da mesma espécie
Não muda com a idade
Resíduos de Adenosina e Timina são encontrados na mesma proporção
Resíduos de Guanosina e Citosina são encontrados na mesma proporção
Histórico
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1950 – Rosalind Franklin & Maurice Wilkins realizaram experimentos de difração de raio-X
DNA helicoidal com duas periodicidades, uma de 3,4 A e a secundária com 34 A
Histórico
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1953 - Watson & Crick
Postularam o modelo tridimensional do DNA
Histórico
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Estrutura do DNA
Helicoidal
Fitas duplas
Complementariedade A-T e C-G
Fitas antiparalelas (ligações fosfodiéster seguem sentidos opostos entre as duas fitas)
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Complementariedade na dupla hélice de DNA
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Replicação de DNA sugerido por Watson e Crick
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Pergunta
Determinada espécie de bactéria possui 20% de conteúdo de adenina em seu DNA. Quanto ela possui (em percentual) de timina, guanina e citosina?
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Resposta
O conteúdo de adenina e timina é sempre igual, portanto, tem conteúdo de timina de 20%. Sobram 60%.
O conteúdo de guanina e citosina é sempre igual, portanto 60/2=30. Apresenta 30% de conteúdo citosina e 30% de conteúdo guanina.
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Pergunta
A bactéria X possui conteúdo de timina de 15% e a bactéria Y possui conteúdo de adenina de 30%. Qual destas espécies tem mais chance de ser termofílica?
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Quanto maior o conteúdo de G+C, maior o ponto de fusão da molécula. Então, a espécie Y, que possui conteúdo de G+C de 70% tem maior probabilidade de ser termofílica.
Resposta
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Formas tridimensionais em que o DNA pode ocorrer
Molécula flexível
Variações de temperatura podem alterar:
 enovelamento
alongamento 
levar à desnaturação
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Dependem de 3 fatores:
Conformações possível da desoxirribose
Rotação em torno das ligações da fosfodesoxirribose
Rotação livre em torno de C1’-N-glicosídica
Formas tridimensionais em que o DNA pode ocorrer
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Ligações que podem rotacionar
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Formas tridimensionais do DNA
Estrutura de Watson e Crick:
Forma B do DNA (B-DNA); 10,5 pares por volta
Mais estável (referência)
Forma A
Estável em soluções livres de água
Dupla hélice à direita, mas com hélice mais larga (11 pares por volta)
Forma Z
Rotação helicoidal à esquerda (12 pares por volta)
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Formas tridimensionais do DNA
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Estrutura incomuns no DNA
Curvaturas: ocorre quando 4 ou mais resíduos de adenina aparecem sucessivamente
Palíndromo:são autocomplementares e forma estruturas cruciformes ou em grampo
Repetição de imagem especular: não forma estrutura tridimensional diferenciada
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Estrutura incomuns no DNA
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Estrutura incomuns no DNA
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Pareamentos menos frequentes de bases nitrogenadas
Pareamento não Watson-Crick
Pareamento de Hoogsteen
Triplex de DNA
C G . C+
T A . T
Tetraplex G
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Pareamentos menos frequentes de bases nitrogenadas
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Se o DNA armazena informação, quem transmite para o citoplasma?
1961: Jacob & Monod
A porção do RNA celular que carrega informação do RNA para os ribossomos é o RNA mensageiro
TRANSCRIÇÃO
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RNA mensageiro
RNA: segunda maior forma de ácidos nucléicos nas células
Na expressão gênica: atua como intermediário
Encontrado tanto no citoplasma quanto no núcleo
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RNA mensageiro
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Estrutura de RNA
RNA mensageiro
RNA transportador
RNA ribossômico
Ribozimas: tem atividade enzimática
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Estrutura do RNAm
Fita simples
Conformação helicoidal à direita
Dominada por interações de empilhamento de bases (mais forte entre duas purinas do que nas outras)
Pareamento: G-C e A-U
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Estrutura do RNAm
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Pareamentos em moléculas de RNA
Duas moléculas de RNA complementares pode se parear
Dupla hélice de forma A à direita
Grampos: sequencias palindrômicas
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Pareamentos em moléculas de RNA
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Pareamentos em moléculas de RNA
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Metabolismo de DNA
Universidade Federal de Goiás
Instituto de Ciências Biológicas
Departamento de Bioquímica e Biologia Molecular
Profa. Dra. Juliana Alves Parente Rocha
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Metabolismo de DNA
DNA: armazena informação
Idéia enganosa de estabilidade
Compreende
Replicação
Reparo e recombinação (Genética)
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Metabolismo de DNA
Exige precisão
Simples
Enzimas garantem transmissão intacta
Podem copiar moléculas com milhões de bases
Fazem com fidelidade e velocidade
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Metabolismo de DNA
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Replicação de
DNA
A replicação é semiconsevativa
Experimento de Meselson-Stahl
Nitrogênio 15
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A replicação tem uma origem e segue bidirecionalmente
Jonh Cairns:
Experimento com timina radioativa
DNA de E. coli é um círculo
DNA radioativo durante replicação: apresentava volta adicional
Forquilha de replicação
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A replicação tem uma origem e segue bidirecionalmente
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A síntese segue na direção 5’–3’e é semidescontínua
Se a síntese é 5’-3’, como podem ambas as fitas serem sintetizadas continuamente enquanto a forquilha de replicação se move?
Uma então seria lida 3’-5’
Okazaki (1960): Uma das fitas de DNA é sintetizada em fragmentos (fragmentos de Okazaki)
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Fita líder: a que a síntese segue a direção do movimento da forquilha de replicação.
Fita retardada: síntese na direção oposta
A síntese segue na direção 5’–3’e é semidescontínua
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Degradação de DNA
Nucleases ou DNAses
Exonucleases: degradam pela extremidade
Endonucleases: degradação em sítios externos
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Síntese de DNA
DNA polimerases: transferência de grupo fosforil entre 3’-hidroxila do nucleotídeo na extremidade 3’ e fósforo do desoxinucleosídeo
Precisam de um iniciador e um terminador 
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A replicação tem alto grau de precisão
Em E. coli – 1 erro a cada 1000000000 bases
Geometria comum dos pares de base
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DNA polimerase corrige erros
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Sistema de DNA replicase ou replissomo
A DNA polimerase precisa de muitas enzimas e fatores protéicos
Acesso às fitas: HELICASES
Estresse topológico: TOPOISOMERASES
Estabilização de fitas separadas: PROTEÍNAS DE LIGAÇÃO AO DNA
Iniciadores: PRIMASES
Retirada dos iniciadores: DNA-LIGASES
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Iniciação
Origem de replicação
5 sítios R: sítios de ligação para proteína iniciadora
Região DUE (elemento de desenrolamento do DNA): região rica em AT
3 sítios de ligação ao DNA (I)
Sítios IHF
Sítio FIS
Além de HU (homóloga à histona)
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Iniciação
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Iniciação
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Alongamento
Inclui a síntese da fita líder e da fita retardada
Replissomo
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Alongamento
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Terminação
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Replicação em células eucarióticas
Coordenada com o ciclo celular
Origens de replicação: Ricas em AT
Saccharomyces: tem região ARS
Ciclinas e cinases dependentes de ciclinas
Degradação de ciclinas permite formação de complexos pré-replicativos
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Depende de helicases
Proteínas de manutenção de minicromossomos
ORC: complexo de reconhecimento de origem – carrega a helicase
Replicação em células eucarióticas
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Velocidade é apenas 1/20 da velocidade de procariotos
Possui várias origens
A terminação envolve telômeros
Replicação em células eucarióticas