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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE GENÉTICA BÁSICA Estrutura Molecular do DNA e Cromossomos Mestranda: Gerlane Barros Orientador: Marcus Batista Funções do Material Genético O material genético deve apresentar: •Função genotípica -Replicação; •Função fenotípica - Controlar o crescimento e o desenvolvimento do organismo (expressão gênica); •Função evolutiva - Permitir que o organismo se adapte às mudanças ambientais. Ácidos nucleicos: DNA e RNA Função: armazenamento e transmissão da informação genética DNA – ácido desoxirribonucléico: armazenador da informação genética na maioria dos seres vivos RNA – ácido ribonucléico: armazenador da informação genética em alguns vírus Ex.: Vírus do mosaico do tabaco – fita simples Saccharomyces cerevisiae virus m1- fita dupla Estrutura Componentes químicos dos ácidos nucleicos: Fosfato; Açúcar desoxirribose (DNA) e ribose (RNA); Composto aromático heterocíclico RNA Grupo Fosfato Consiste em um átomo de fósforo ligado a quatro átomos de oxigênio; Carga negativa – acidez do DNA; Sempre se liga ao carbono 5’ do açúcar; Açúcar Pentose –5 átomos de carbono, sendo 4 ligados formando um anel com um átomo de oxigênio; Ligados aos carbonos–átomos de hidrogênio ou grupos hidroxilas(OH); Oxigênio a mais do RNA – molécula mais reativa e menos estável quimicamente que DNA. Base nitrogenada Dois compostos aromáticos heterocíclicos contendo nitrogênio (pirimidina e purina), constitui uma unidade estrutural chave dos ácidos nucleicos Purinas – dois anéis (6 e 5 lados) Pirimidinas – único anel (6 lados); Bases nitrogenadas: estrutura dos anéis grupo metila Bases nitrogenadas: estrutura dos anéis As purinas e pirimidinas são ligadas ao carbono anomérico de um carboidrato (açúcar) através de uma ligação β-glicosídica levando a formação dos nucleosídeos As purinas estão ligadas pelo N-9 e as pirimidinas pelo N-1 O nucleotídeo é um nucleosídeo com o grupo 5’-OH ou 3’-OH ligado ao ácido fosfórico por meio de uma ligação fosfodiéster Os nucleotídeos de DNA onde o açúcar é 2’- desoxirribose são chamados de desoxirribonucleotídeos, RNA onde o açúcar é a ribose são chamados de ribonucleotídeos Estrutura da cadeia de polinucleotídeos São biopolímeros (polinucleotídeos) – constituídos de subunidades de nucleotídeos unidas por ligações fosfodiéster Polinucleotídeo – contém muitas subunidades Estrutura da cadeia de polinucleotídeos É importante na polaridade e direção da molécula Em uma extremidade do filamento um grupo fosfato está ligado ao átomo de carbono 5 do açúcar-terminal 5’ A outra extremidade do filamento –3’tem um grupo OH ligado ao carbono 3’ do açúcar; Estrutura do DNA James Watson (geneticista microbiano americano) e Francis Crick (físico inglês) descobriram a estrutura do DNA em 1953 Eles propuseram uma definição de gene em termos químicos e, fazendo isso, abriram o caminho para a compreensão da ação gênica e da hereditariedade a nível molecular Estrutura do DNA A hist6ria começa na primeira metade do século XX, quando o resultado de experimentos levou os cientistas a concluírem que o DNA é o material genético, e não outra molécula biol6gica tal como um carboidrato, proteína ou lipídeo Antes de vermos como Watson e Crick resolveram a estrutura do DNA, vamos revisar o que se sabia sobre os genes e DNA na época: 1. Genes - os "fatores" hereditários descritos por Mendel. Sua natureza física não era compreendida 2. A hip6tese um gene - uma proteína, postula que os genes controlam a estrutura das proteínas 3. Os genes são conhecidos como levados nos cromossomos 4. Os cromossomos consistem em DNA e proteínas Os resultados de uma serie de experimentos iniciada nos anos de 1920 revelaram que o DNA era o material genético Esses experimentos mostraram que as células bacterianas que expressam um fenótipo podem ser transformadas em células que expressam um fen6tipo diferente, e que o agente transformante é o DNA Descoberta da transformação Frederick Griffith fez uma curiosa observação estudando a bactéria Streptococcus pneumoniae, em 1928 A bactéria é letal em camundongos Entretanto, algumas linhagens dessa espécie evoluíram para serem menos virulentas Descoberta da transformação Griffith usou duas linhagens cultivadas em culturas de laborat6rios Linhagens distinguíveis Lisa, S (células encapsuladas em polissacarídeo) Rugosa, R (cápsula de polissacarídeo ausente) Descoberta da transformação Transformação, um dos modos pelo qual as bactérias podem trocar seus genes O DNA captado integra-se ao cromossomo receptor. Se esse DNA é de um gen6tipo diferente do da receptora, o gen6tipo da receptora pode tornar-se permanentemente alterado Qual componente químico das células doadoras mortas tinha causado essa transformação? Em1944, Oswald T. Avery, Colin M. MacLeod e Maclyn McCarty demonstraram que o "principio transformante" era o DNA Essa substância podia ser candidata ao material genético, pois tinha mudado o genótipo Qual componente químico das células doadoras mortas tinha causado essa transformação Seu enfoque ao problema foi destruir quimicamente todas as principais categorias de substancias químicas no extrato das células mortas Destruiu primeiro os polissacarídeos, proteínas, gorduras e RNA A mistura perdia sua habilidade transformante apenas quando tratada com desoxirribonuclease (Dnase) Experimento de Hershey-Chase, 1952 Constituição: proteínas, com o DNA contido dentro da bainha de proteínas de sua "cabeça“ DNA e proteínas marcados com radioisótopos Injetaram o fago T2 na célula hospedeira (E. coli) radiois6topo do f6sforo (32P) ao DNA e o do enxofre (35S) as proteínas DNA é mesmo o material genético? Experimento utilizando o Bacteriófago T2 fago vazio O DNA é o material hereditário. As proteínas do fago eram meras embalagens estruturais que são descartadas ap6s a entrada do DNA viral na célula bacteriana A estrutura do DNA antes de Watson e Crick "construção de modelo" Montagem do quebra-cabeças tridimensional (o modelo da dupla hélice) Peça 1: Os blocos estruturais do DNA componentes químicos: (1) fosfato, (2) um açúcar chamado desoxirribose e (3) quatro bases nitrogenadas Os componentes químicos do DNA são dispostos em grupos chamados nucleotídeos Peça 2: Regra de Chargaff da composição de bases Estudando uma grande seleção de DNA de organismos diferentes estabeleceu: •A quantidade total de nucleotídeos pirimidínicos (C + T) é igual a quantidade total de nucleotídeos purínicos (A + G) A quantidade de A + T não e necessariamente igual a quantidade de G + C, Regra de chargaff Conteúdo de G=C Conteúdo de A=T Peça 3: Analise de difração de raios X do DNA Rosalind Franklin – difração de raios X na estrutura do DNA Observou que: os raios X são disparados nas fibras deDNA, e a dispersão dos raios nas fibras é observada captando os raios em um filme fotográfico, no qual os raios X produzem pontos. Peça 3: Analise de difração de raios X do DNA O angulo de dispersão representado por cada ponto no filme da informações sobre a posição de um átomo ou alguns grupos de átomos na molécula de DNA Peça 3: Analise de difração de raios X do DNA Os dados sugerem que o DNA é: longo e fino; possui duas partes similares paralelas umas as outras; molécula é helicoidal (em espiral) Peça principal do quebra-cabeças que permitiu Watson e Crick deduzir a estrutura tridimensional que podia explicar os padrões de pontos nos raios X Estrutura do DNA: A dupla Hélice A composição geral do DNA era conhecida, mas como suas partes se reuniam não era conhecido Em 1953, Watson e Crick publicaram na Nature um trabalho especificando a estrutura da dupla hélice Estrutura do DNA: A dupla Hélice Principais requesitos da molécula hereditária: Habilidade de estocar informação; Habilidade de replicar fielmente; Habilidade de mutar Estrutura do DNA: A dupla Hélice Composta por 2 filamentos de nucleotídeos mantidos por pontes de hidrogênio entre bases de cada filamento Estrutura como uma escada em espiral Estruturas dos DNA O DNA adquire essa forma de dupla hélice por causa das ligações de hidrogênio entre as bases dos nucleosídeos Estrutura do DNA Pontes de hidrogênio entre bases complementares Filamentos com polaridade inversa G-C = mais estável Qual o DNA mais estável, aquele rico em G+C ou aquele rico em A+T? O arcabouço de cada filamento é formado de unidades alternadas de fosfato e desoxirribose que são conectadas por ligações fosfodiéster A ligação açúcar-fosfato e dita como tendo uma polaridade 5' para 3' conformação de dupla hélice se dá principalmente pela interação de pares de bases que se empilham-se uns sobre os outros no centro da hélice A forma mais estável é uma dupla hélice com dois tamanhos distintos de sulcos: o sulco maior e o sulco menor A maioria das associações DNA- proteína são nos sulcos maiores DNA é uma hélice com giro para a direita Cada fita de DNA pode atuar como um molde para a síntese de sua fita complementar e, consequentemente, a informação hereditária está codificada na sequência de bases em qualquer fita Estrutura do DNA DNA é uma dupla hélice de duas cadeias de nucleotídeos mantidas juntas pelo pareamento complementar das bases Estruturas dos DNA O DNA pode existir em três formas helicoidais diferentes: A hélice B é a forma predominante em solução aquosa (modelo de whotson e Crick sob condições fisiológicas; A hélice A é a forma predominante em solução não aquosa.; A hélice Z se forma quando tem um número grande de pares de bases G – C As hélices A e B giram no sentido horário Hélice Z, sentido anti- horário Estruturas dos DNA Forma B (DNA-B) A hélice B é a forma predominante em solução aquosa; -Forma mais estável (padrão) -Predominante no DNA cromossômico -10,5 bases por volta Forma A (DNA-A) A hélice A é a forma predominante em solução não aquosa.; -Variante da forma B pela redução da umidade relativa em 75% -11 pares de bases por volta -Predominante em híbridos DNA-RNA ou RNA-RNA (dupla fita) Forma Z (DNA-Z) A hélice Z se forma quando tem um número grande de pares de bases G – C seguidos -Rotação para a esquerda -12 pares de base por volta -Devido à sequencias repetidas C e -Suspeita-se que é importante para a regulação da expressão gênica e recombinação Super-hélices Só ocorrem em moléculas de DNA com pontas fixas DNA circular Presente na maioria dos cromossomos procarióticos Super-hélices As super-hélices podem ser: Positivas (giro para a direita) – super-helicoidização positiva Negativa (giro para a esquerda) – super-helicoidização negativa Envolvida em: replicação, recombinação, expressão gênica Cromossomos em procariontes e vírus Conjunto único de genes é estocado em um só cromossomo que contém DNA ou RNA A molécula de DNA em E. coli é relativamente grande (1.500µm) quando comparado aos ~2µm da bactéria Genoma compactado devido a um complexo com proteínas não histonas DNA contido no nucleoide As moléculas de DNA são organizadas em domínios super- helicoizado negativamente Alças torcidas do DNA – rompimento da bactéria Cromossomos eucariotos Moléculas longas; Grande quantidade de DNA; DNA compactação em vários cromossomos; Interfase: estado alongado e relativamente descondensado; Metáfase: alto grau de condensação Ciclo celular – mudanças no nível de compactação; Compactação – muda durante a replicação e transcrição; Estrutura da cromatina Cromatina – DNA associado a proteínas; Eucromatina – sofre o processo normal de condensação e descondensação no ciclo celular; Constitui a maioria do material cromossômico; Heterocromatina–permanece em estado de alta condensação durante o ciclo celular Regiões centroméricas e teloméricas Maior parte desprovida de transcrição Histonas Proteínas de carga positiva; Tipos: H1, H2a, H2b, H3 e H4 Composição: 20 a 30% de arginina e lisina, dois aminoácidos com carga positiva – atração com as cargas negativas do grupo fosfato Nucleossomo É uma partícula cerne de DNA, apresentando-se enrolado por duas voltas ao redor do octâmero de histonas Forma de compactação da cromatina Cerne do nucleossomo – DNA com 146 pb e duas moléculas de cada histona, formando um octâmero (H2a, H2b, H3 e H4) com super-helicoidização negativa Histona H1 – realiza a estabilização da molécula A unidade estrutural básica do cromossomo metafísico é a fibra de 30 nm Nucleossomos se dobram entre si formando alças Compactação da cromatina
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