Aula_Estr_Topo_cromatina_2_2013

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1 
Estrutura e 
Topologia 
de Ácidos 
Nucleicos 
Biologia Molecular 
Termo cunhado pelo matemático Warren Weaver em 1938 
(1894 – 1978) 
2 
Biologia Molecular: definições 
• “O estudo bioquímico das bases genéticas do 
fenótipo.” 
 
• “Ramo da Biologia que trata da formação, estrutura e 
função das macromoléculas essenciais à vida, como 
ácidos nucleicos e proteínas e, especialmente, seus 
papéis na replicação e transmissão da informação 
genética.” 
 
• “Ramo da Biologia que trata dos ácidos nucleicos e 
proteínas em nível molecular.” 
Biologia Molecular 
3 
Breve histórico 
 
 Wilhelm Hofmeister (1848): Descoberta dos cromossomos 
 
 Gregor Mendel (1866): “Fatores hereditários” 
 
 Friedrich Miescher (1869): Descoberta da nucleína (no núcleo), rica em fósforo 
e nitrogênio e resistente a pepsina. Era o DNA. 
 
 Albrecht Kossel (1880): mostra que a nucleína tem bases nitrogenadas. 
 
 Richard Altmann (1890): purifica a nucleína e mostra seu caráter ácido. 
Chama-a de ácido nucleico. 
 
 Phoebus Levene e Walter Jacobs (1912): mostram que o componente básico 
dos ácidos nucleicos era uma estrutura composta por uma unidade constituída 
de uma base nitrogenada ligada a uma pentose, e esta ligada a um fosfato. 
Esta unidade foi denominada de nucleotídeo. Descobre a ribose e a 
desoxirribose. 
 
Friedrich Miescher Albrecht Kossel 
Richard Altmann 
Phoebus Levene 
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Breve histórico (cont) 
 
 Frederick Griffith (1928): Princípio Transformante 
 
 Avery, MacLeod & McCarty (1944): Princípio Transformante = DNA 
 
 Erwin Chargaff et al. (1947): determinou a composição de bases A, T, C, G de 
vários organismos 
 
 Rosalind Franklin & Maurice Wilkins (ca. 1950): Difração de raios X revelou uma 
padrão de periodicidade e largura uniforme para o DNA 
 
 Hershey-Chase (1952): DNA é o material genético do fago T2 
 
 Watson & Crick (1953): modelo para a estrutura do DNA 
 
 Fraenkel-Conrat et al. (1957): RNA é o material genético do Tobacco Mosaic 
Virus (TMV) 
 
Experimento de Griffith (1928) 
S = smooth 
R = rough 
5 
Experimento de Avery, MacLeod & 
McCarty (1944) 
Oswald Avery Colin MacLeod 
Maclyn McCarty com Francis Crick 
e James Watson 
Qual a natureza química do princípio transformante? 
Experimento de Avery, MacLeod & 
McCarty 
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Experimento de Alfred Hershey e Martha 
Chase (1952) 
7 
O conteúdo de bases do DNA 
Erwin Chargaff (1950) 
8 
Regras de Chargaff 
 Primeira Regra de Chargaff 
 
No DNA natural, A=T e C=G A+G = C+T (Pu = Py) 
 
 
 Segunda Regra de Chargaff 
 
A composição de bases varia entre as espécies 
 
Cristalografia de Raios X 
9 
10 
Watson e Crick e o modelo para a estrutura do DNA 
11 
Carta de Crick ao seu filho em 1953 
12 
13 
Watson celebra 60 anos da descoberta 
da estrutura do DNA (2013) 
25 de abril - Dia do DNA 
14 
O “Dogma Central” da Biologia Molecular 
Enunciado por Francis Crick, em 1958 
 
Trata do fluxo de informação para a produção de proteínas 
Hipóteses iniciais 
Em 1970: 
Linhas inteiras: vias comprovadas 
Linhas pontilhadas: vias prováveis 
O “Dogma Central” da Biologia Molecular 
15 
O Dogma Central: Crick, 1956 
Classes de transferência de informação 
E os prions??? 
 
 
Geral Especial Desconhecido 
DNA → DNA RNA → DNA proteína → DNA 
DNA → RNA RNA → RNA proteína → RNA 
RNA → proteína DNA → proteína proteína → proteína 
16 
E os prions ?? 
Estrutura e composição do DNA e 
RNA 
17 
DNA 
(ácido desoxirribonucleico) 
 
• Geralmente é dupla fita (duplex): dsDNA 
• DNA fita simples (ssDNA). Exe.: fagos ΦX174, S13, 
M13, parvovírus 
• Mais estável quimicamente que o RNA 
• Função: informacional 
 
Convenção 
ssDNA = single-stranded DNA (fita simples) 
dsDNA = double-stranded DNA (fita dupla) 
Primeira foto do DNA 
(Nanoletters, 2012) 
 
7 dupla-hélices alinhadas 
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RNA 
(ácido ribonucleico) 
 
• Geralmente fita simples (ssRNA) 
• RNA fita dupla (dsRNA), Exe: reovírus 
 
 
Funções do RNA 
 
• Informacional: mRNA (pouco estável), RNA de vírus 
• Transferência de informação: tRNA 
• Estrutural: rRNA (ribossomo) 
• Catalítica: RNAse P, snRNA, rRNA (tradução) 
• Regulatória: Exe: RNA líder (atenuação), RNA I (controle do 
número de cópias de plasmídios), silenciamento gênico 
(miRNA, siRNA) 
 
• Tipos de RNA: rRNA: ~80% 
 tRNA: ~15% 
 mRNA: ~5% 
 snRNA e scRNA: <2% 
 
19 
DNA e RNA 
 
cadeia de polinucleotídeos 
Estrutura geral de um nucleotídeo 
Ribonucleotídeo: 2’-OH 
Desoxirribonucleotídeo: 2’-H 
Ligação glicosídica 
20 
Composição dos nucleotídeos 
1) Açúcar (pentose) 
 
• ribose ( -D-ribofuranose): RNA 
• desoxirribose ( -D-2
 
-desoxirribofuranose): DNA 
 
2) Base nitrogenada: ligado ao carbono 1 do açúcar 
 
• Purinas (Pu): adenina, guanina 
• Pirimidina (Py): citosina, timina, uracila 
 
3) Grupo Fosfato: ligado ao carbono 5 do açúcar 
 
Obs: nucleosídeo = açúcar + base nitrogenada 
O açúcar é uma pentose 
-D-2-deoxirribose 
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Os açúcares não são planos 
C3´endo 
C2´endo 
(mais comum) 
As bases nitrogenadas: 
precursores das purinas e pirimidinas 
Meio imidazólico Meio pirimídico 
Pirimidina Purina 
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Principais purinas 
e pirimidinas dos 
ácidos nucleicos 
Obs: timina = 5-metil-uracila 
Obs: 1) A ribotimima (TMP) está presente no tRNA mas trata-se 
de uma modificação pós-transcricional da uracila. 
2) dUMP pode ser incorporado ao DNA in vitro. 
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A ligação glicosídica 
• 2 possibilidades de rotação (Χ): syn e anti 
• Syn (só Pu) 
• Anti (Py e Pu) → mais comum 
 
 
24 
Conformação anti é a mais comum 
A ligação fosfodiéster 
grupo éster 
25 
Por que ácidos nucleicos? 
caráter ácido 
DNA baseado em arsênio ? 
(dezembro, 2010) 
Lago Mono - Califórnia 
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Xeno-ácidos nucleicos (XNA) 
Science 336, 341 (2012) 
O primeiro 
autor é 
brasileiro! 
Modelo de Watson & Crick para a 
estrutura do DNA: a dupla hélice 
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As fitas do DNA são anti-paralelas 
Atenção: convenção de escrita: 5´-ACTTAGGACATCATGGAT-3´ 
Complementaridade 
28 
Interações que estabilizam os 
ácidos nucleicos 
29 
• Responsáveis pela complementaridade dos pares de bases 
 
• Interações entre um dipolo que tem um próton (doador) e um 
átomo eletronegativo (aceptor) 
 -D-H :::::::: A- 
 
• Interações “Watson-Crick” ou interações “canônicas” = ligações 
de hidrogênio entre as bases nitrogenadas 
 
• Interações “não-canônicas” 
 Exe: A-U = interação “Hoogsteen” (RNA) 
Ligação de Hidrogênio 
Ligações de hidrogênio nos pares de bases 
Watson & Crick 
30 
Pareamento das bases nitrogenadas 
Incompatibilidade A-C 
31 
Formas tautoméricas das bases 
Formas ceto e amino são as mais estáveis 
Outras Interações 
• Interações de “stacking” ou “empilhamento”: entre 
os anéis de ressonância das bases (elétrons ) 
 
• Interações eletrostáticas: fosfatos desestabilizam 
interações inter(intra)cadeias. Neutralizadas pelos 
íons Na+ 
 
• Interações Van de Walls: hidrofóbicas 
 
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A forma predominante de torção da espiral do 
DNA é para a direita (dextro) 
33 
34 
Outras formas de DNA 
35 
Características do B-DNA 
• Hélice “dextra” 
 
• Conformação anti e C2
 
-endo 
 
• Diâmetro da hélice: 20Å 
 
• Resíduos por volta: 10.5 pb 
 
• Incremento axial (distância entre os planos debases nitrogenadas adjacentes): 
3.4Å 
 
• Comprimento da hélice: 35.7Å (10.5 pb x 3.4Å) 
 
• Ângulo de rotação: (ângulo entre 2 planos de pares de bases adjacentes): 34.3 
(360 /10.5 pb) 
 
• Inclinação do par de bases: -6 
Características do B-DNA 
36 
Rotações possíveis do plano das 
bases nitrogenadas 
As fendas maior e menor 
37 
As fendas maior e menor 
 
A: aceptores de H D: doadores de H 
H: hidrogênios não-polares M: grupos metil 
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Outras estruturas secundárias 
• Z-DNA 
• DNA cruciforme 
• DNA triplex 
• G-quadruplex 
 
Todas existem in vivo e têm funções! 
 
Outras formas de estruturas 
secundárias existentes 
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Detecção de G-quadruplex em 
humanos (2013) 
Estrutura do RNA 
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RNA fita simples 
Branco: bases 
Amarelo: fosfato 
Cinza: ribose e O dos fosfatos 
Estrutura do RNA 
“stem-loop” 
“bulge” 
O ssRNA pode formar estruturas de fita-dupla (A-RNA) 
por complementaridade das bases (stem-loop, hairpin) 
 
41 
Pseudoknot 
Interação entre regiões descontínuas do RNA 
Interação G:U 
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Estrutura secundária do rRNA 16S 
Stem-loop 
hairpin 
pseudoknot 
bulge 
Estrutura terciária do RNA 
• Facilitada pela flexibilidade das regiões não-pareadas 
• Interações não-convencionais entre as bases (até 3 
bases) e com o esqueleto da cadeia 
• Participação de proteínas: Exe rRNA 
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Estrutura terciária do RNA 
Estrutura da subunidade maior do ribossomo 
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Interações não-canônicas 
A Hipótese do “Mundo de RNA” 
• Carl Woese - 1968 
• RNA precedeu DNA e proteínas 
• Estoca, transmite e duplica informação 
• Atua cataliticamente também! 
• rRNA é remanescente desta época em que as 
proteínas eram feitas a partir de RNA 
 
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Por que o RNA não prevaleceu? 
• O grupo 2´-OH pode atacar a ligação fosfodiéster em regiões 
flexíveis (que não sejam dsRNA). Força o açúcar a assumir a 
conformação C3´-endo 
 
• Por causa desta instabilidade, o RNA tem menor capacidade de 
estocar informações pois não pode ser muito longo. 
 
• A uracila é mais propensa a provocar mutações pois pode parear 
tanto com G quanto com A (wobble) 
Propriedades Físicas dos Ácidos 
Nucleicos 
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Interação luz-matéria 
 
• A Lei de Lambert-Beer : Absorbância 
 
 
 
 
b 
A = -log (I1/I0) = abc Fonte de 
radiação 
Detector Cubeta 
Bases nitrogenadas absorvem luz na faixa de 260 nm (UV) 
47 
 
Desnaturação de ácidos nucleicos 
 
• Rompimento das ligações de H devido à elevação 
da temperatura, aumento do pH ou pela ação de 
agentes químicos, como a formamida 
 
• Renaturação ocorre pela diminuição gradativa da 
temperatura 
 
 
48 
• Efeito hipocrômico: diminuição da A260 causada pelas 
interações das bases empilhadas. 
 
A260(dsDNA) < A260(nucleotídeos livres) 
 
• Efeito hipercrômico: aumento da A260 causado pela 
desnaturação. 
 
A260(dsDNA) A260(nucleotídeos livres) 
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Topologia do DNA 
50 
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Super-enrolamento (“supercoiling”) do DNA = dobra ou 
curvatura do eixo sobre o qual o DNA se enovela. 
 
É uma forma de compactação do DNA 
 
Tipos: 
 
Super-enrolamento negativo: torce o DNA na direção oposta das 
voltas da dupla-hélice (mais comum dentro da célula) 
 
Super-enrolamento positivo: torce o DNA na mesma direção das 
voltas da dupla- hélice (comum em Archaea) 
 
DNA relaxado → sem super-enrolamento 
 
Topologia do super-enovelamento 
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Topoisômeros 
Topoisômeros = moléculas do mesmo tamanho e formas 
diferentes 
 
 cccDNA (forma I): circular covalentemente fechada 
 
 ocDNA (forma II): “open-circle” (após um corte em uma das 
fitas) 
 
 DNA linear: corte nas duas fitas 
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Forma CCC Forma OC 
Topoisomerases 
Topoisomerases: isomerizam uma forma topológica do 
DNA em outra. 
 
Tipos: 
 
Topoisomerases I e III: retiram super-enrolamentos 
negativos 
 
Topoisomerase II (DNA girase): introduz super-
enrolamentos negativos 
54 
Compactação 
55 
Compactação do DNA 
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Compactação do genoma humano 
1,8 metro x 100 trilhões de células = 
 
 182 bilhões de km ! 
 
Dá para ir e voltar até o Sol 610 vezes! 
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A Estrutura da Cromatina 
Cromatina = DNA + proteínas histônicas e não-histônicas 
 
Proteínas histônicas 
• Responsáveis pela organização básica da cromatina 
• Proteínas básicas: H1, H2A, H2B, H3, H4 
 
Proteínas não-histônicas 
• Estão em menor número que as histonas. Estão 
envolvidas em níveis superiores de organização da 
cromatina. 
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Cromatina isolada: “colar de contas” 
Os Nucleossomos 
Complexos de histonas ligados ao DNA 
 
Unidades fundamentais de organização da cromatina 
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As histonas H3 e H4 são altamente conservadas (quase 
idênticas) entre os eucariotos 
DNA enrolado em torno de um 
“core” de nucleossomo 
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Representação do “core” de proteínas de um 
nucleossomo 
Visão superior e lateral da estrutura cristalina de um 
nucleossomo com 146 pb de DNA ligado 
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Fibra de 30 nm ou solenoide 
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Fibra de 10nm 
(Solenóide)