Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
DNA INTRODUÇÃO Nucleotídeos: constituem os Ácidos Nucleicos; Segmento de DNA que possui a informação necessária para a síntese de um produto biológico funcional, sendo proteína ou RNA, é referido como gene; Armazenamento e transferência de informações são as únicas funções conhecidas do DNA; A replicação acontece antes que cada célula se divida. NUCLEÓTÍDEOS Três componentes característicos: 1. Uma base nitrogenada; 2. Uma pentose; 3. Um fosfato. A molécula sem o grupo fosfato é conhecida como nucleosídeo; As bases nitrogenadas são originadas de dois grupos parentais: pirimidina e purina; Bases e pentoses são heterocíclicos; A base de um nucleotídeo une-se covalentemente (pelo N-1 de uma pirimidina e N-9 de uma purina), por meio de uma ligação N-beta- glicosídica, ao carbono 1’ da pentose e o fosfato está esterificado no carbono 5’ (ligação fosfodiéster). A ligação N-beta-glicosídica é formada pela remoção dos elementos da água (uma hidroxila do grupo pentose e um hidrogênio da base nitrogenada), como na formação da ligação O- glicosídica. Bases purínicas: adenina (A) e guanina (G), aneladas duplas; Bases pirimídicas: citosina (C) e timina (T), aneladas simples; As unidades recorrentes desoxirribonucleotídicas de DNA possuem a 2’-desoxi-D-ribose; Nos nucleotídeos, as pentoses estão na sua forma beta-furanosídica (anel fechado com 5 átomos); O anel da pentose não é planar e pode ocorrer de uma em várias conformações chamadas de pregueadas; Apesar de o DNA apresentar as principais bases, também pode possuir algumas minoritárias. No DNA, o mais comum são as bases comuns metiladas, mas em alguns DNAs virais, algumas bases podem ser hidroximetiladas ou glicosiladas; Bases alteradas ou não usuais normalmente possuem papel de regulação ou proteção da informação genética no DNA; LIGAÇÕES FOSFODIÉSTER Os nucleotídeos sucessivos são ligados covalentemente por meio de pontes de grupo fosfato, em que o grupo 5’-hidroxila de uma unidade nucleotídica une-se ao grupo 3’-hidroxila do nucleotídeo seguinte por uma ligação fosfodiéster; O esqueleto covalente dos ácidos nucleicos consiste em resíduos fosfato e pentoses alternadas e as bases nitrogenadas podem ser consideradas como grupos laterais unidos ao esqueleto e intervalos regulares; Os grupos hidroxila formam ponto de hidrogênio com a água; Os grupos fosfato, com pKa próximo de zero, estão completamente ionizados e carregados negativamente em pH=7,0. As cargas negativas geralmente são neutralizadas por interações iônicas com cargas positivas nas proteínas, íons metálicos e poliaminas; Todas as ligações fosfodiéster possuem as mesmas orientações, conferindo um formato linear e polaridades específicas nas extremidades 5’ e 3’; A extremidade 5’ não possui nucleotídeo na posição 5’ e a extremidade 3’ não possui nucleotídeo na posição 3’; Aproximadamente 50 nucleotídeos ligados: oligonucleotídeo. Mais de 50: polinucleotídeo; Ligações fosfodiéster entre nucleotídeos podem ser clivadas hidroliticamente por substâncias químicas ou hidrolisadas enzimaticamente por uma família de nucleases: desoxirribonucleases para DNA; Nucleases que clivam a cadeira nucleofílica em posições internas da cadeia são denominadas de endonucleases. Aquelas que clivam a cadeia somente pela remoção de nucleotídeos individuais a partir de uma das extremidades são chamadas de exonucleases. PROPRIEDADES DAS BASES DOS NUCLEOTÍDEOS Afetam diretamente a estrutura tridimensional dos ácidos nucleicos; São compostos fracamente básicos e são moléculas altamente conjugadas (purinas e pirimidinas); Pirimidinas são moléculas planas e purinas são levemente planas, com uma leve ruga; Existe um formato das moléculas tautomerizadas que é predominante em pH=7,0 e o fato de sofrerem tautomerização (ressonância), faz com que absorvam luz UV e os ácidos nucleicos são caracterizados por uma forte absorção em comprimentos de onda próximos de 260 nm; São hidrofóbicas e relativamente insolúveis em água no pH próxima à neutralidade da célula; Em pH ácido e alcalino, as bases tornam-se carregadas e consequentemente, mais solúveis em água; Uma das formas de interação entre as bases é a de “empilhamento”, em que as bases se posicionam umas sobre as outras, paralelamente aos seus planos, através de ligações de van der Waals e dipolo-dipolo entre as bases. Tal estrutura ajuda a minimizar o contato com a água e manter a estrutura tridimensional dos ácidos nucleicos; Grupos funcionais importantes das bases: nitrogênios do anel, grupos carbonila e grupos aminoexocíclicos. Pontes de hidrogênio entre os grupos carbonila e amino são o segundo modo de interação mais importante entre as bases, permitindo uma associação complementar de duas (três ou quatro, ocasionalmente) fitas de ácido nucleico. Permite então a conexão entre G com C e A com T. ESTRUTURA DO ÁCIDO NUCLEICO Primária: formada pelas ligações covalentes e sequência de nucleotídeos; Secundária: qualquer estrutura regular, estável, adotada por alguns ou todos os nucleotídeos de um ácido nucleico; Terciária: enovelamento presente nos cromossosmos; Regras de Chargaff: são formadas pelas constatações quantitativas do DNA, como: A = T e C = G, considerando a quantidade de cada uma das bases presentes no DNA. DNA Nas células eucarióticas o DNA é encontrado associado à diversas proteínas presentes no núcleo, conhecidas como nucleoproteínas. Nos procariotos está presente no nucléolo; Polímeros de DNA são helicoidais, com duas periodicidades ao longo de seu eixo maior, uma primeira de 3,4 Å (a distância entre as bases nitrogenadas) e uma segunda de 34 Å (cada 10 bases nitrogenadas. Em solução aquosa difere um pouco quando em formato de fibra, possuindo 10,5 bases em média nesse mesmo espaço); Formado por uma dupla hélice, o esqueleto hidrofílico de grupos alternantes de desoxirribose e fosfatos carregados negativamente estão na parte externa da dupla hélice, em contato com a água circundante. O anel furanosídico de cada desoxirribose está na conformação endo em C-2; Certas drogas anticâncer, como a dactinomicina, exercem os seus efeitos citotóxicos intercalando-se no sulco menor da dupla hélice de DNA, interferindo, dessa forma, com a síntese de RNA e DNA; As bases purínicas e pirimídicas estão internas à dupla hélice, empilhadas com suas estruturas hidrofóbicas de anéis quase planos muito próximos e perpendiculares ao longo do eixo da hélice. As interações de empilhamentos das bases, que são em grande parte inespecíficas com respeito à identidade das bases empilhadas, dão a maior contribuição para a estabilidade da dupla hélice; As bases de uma fita estão no mesmo plano que as bases da outra fita, e as ligações entre as bases é realizada através de pontes de hidrogênio, sendo que existem 3 pontes de hidrogênio para a ligação G-C e duas pontes para as ligações A-T; Outros pareamentos de bases tendem (em grau variado) a desestabilizar a estrutura de dupla hélice; As fitas da dupla hélice são antiparalelas, ou seja, interagem de forma invertida. Nesse caso, a extremidade fosfato do carbono 5’ de uma fita liga com a extremidade fosfato do carbono 3’OH de outra fita; DNA é uma molécula flexível e podem ocorrer o esticamento, curvatura ou despareamento (fusão) das fitas. Esses desvios podem significar importantes papéis no metabolismo e não alteram as propriedades chavedo DNA: fitas complementares, antiparalelas e ligações G-C e A-T; Devido à obstáculos estéricos os nucleotídeos purínicos e pirimidínicos são restritos a duas conformações estáveis com respeito à desoxirribose: sin e anti. Pirimidinas normalmente se restringem a conformação anti por causa da interferência estérica entre o açúcar e o oxigênio da carbonila no C-2 da pirimidina; DNA B: padrão mais estável para uma sequência ao acaso de uma molécula de DNA em condições fisiológicas. Padrão de referência em qualquer estudo das propriedades do DNA; DNA A: favorecida em muitas soluções desprovidas de água. A hélice é mais larga e os pares de bases estão em número de 11 ao invés de 10,5 (no DNA B). O plano dos pares de bases são inclinados em 20º em relação ao eixo da hélice. Ocorre o aprofundamento do sulco principal e o sulco secundário se torna mais raso. Reagentes utilizados para promover a cristalização do DNA tendem a desidrata-lo, e dessa forma a maioria das moléculas de DNA curtas tende a se cristalizar na forma A; DNA Z: é um afastamento mais radical da estrutura B. A maior diferença é a rotação do lado contrário à B. há 12 pares de bases por volta da hélice e a estrutura parece mais delgada e alongada. O esqueleto do DNA adquire aparência de Ziguezague. Para formar a hélice no sentido esquerdo, resíduos de purinas movem-se para a conformação sin e pirimidinas para a conformação anti. O sulco principal está pobremente aparente e o sulco secundário é estreito e fundo. Trechos com DNA Z podem desempenhar papel na regulação da expressão de alguns genes ou recombinação genética. Palíndromos: são sequências da fita dupla de ácidos nucleicos com simetria dupla. Para ocorrer a sobreposição, precisa-se girar a fita na horizontal a 180º e posteriormente, na vertical; Repetição tipo espelho: possui uma sequência simétrica em cada fita. Sobrepor uma repetição à outra, basta que se faça o giro a 180º na horizontal; Sequencias palindrômicas podem formar estruturas alternativas com pareamento de bases na fita: 1. Grampo: quando envolve apenas uma fita de DNA; 2. Cruz: quando ambas as fitas estão envolvidas As duas fitas separam-se quando são desfeitas as pontes de hidrogênio entre os pares de bases devido à ação de pH desregulado ou aquecimento. Nesse caso, as ligações fosfodiéster não são desfeitas; Quando o Dna é aquecido, a temperatura na qual metade da estrutura helicoidal é perdida é definida como temperatura de fusão (Tm de melting temperature); Desnaturação: quando o DNA perde o formato helicoidal. Quanto maior a quantidade de ligações G – C, maior a temperatura necessária para a desnaturação; Renaturação e reanelamento: processo de reconstrução da dupla hélice do DNA; MOLÉCULAS DE DNA CIRCULARES Cada cromossomo de organismo eucarioto possui uma longa cadeia de DNA ligado à proteínas para formar a cromatina. Cromossomos circulares estão presentes nas mitocôndrias e cloroplastos dos eucariotos; Nos procariotos, somente um DNA circular está presente, ligado à histonas e RNA, fazendo com que o DNA seja condensado e transformado em nucleóide; A maioria das espécies de bactérias também possui pequenas moléculas de DNA circular extracromossomiais, chamados de plasmídeos, que carregam informação genética e sofrem replicação. Podem carregar genes que conferem resistência a antibióticos e facilitam a transferência de informação genética de uma bactéria para outra; REPLICAÇÃO SEPARAÇÃO DAS FITAS COMPLEMENTARES: nos procariotos o início ocorre em apenas uma sequência nucleotídica, enquanto que nos eucariotos podem ocorres em diversos sítios ao longo da dupla hélice (favorece a replicação de uma forma mais rápida); Esses sítios incluem uma sequência curta, composta quase que exclusivamente de pares de bases AT. Essa sequência é denominada de Sequência Consenso, pois a ordem dos nucleotídeos é essencialmente a mesma em cada sítio; FORMAÇÃO DA FORQUILHA DE REPLICAÇÃO: formação de um “V” onde há a abertura da dupla hélice e o sentido de deslocamento é bidirecional na formação da nova cadeia; Complexo pré-iniciador: composto de proteínas responsáveis pela abertura da dupla hélice e formação do “V”, onde ocorrerá a replicação. 1. Proteína DNA-A: 20 a 50 monômeros da proteína DNA-A ligam-se na sequência nucleotídica específica de abertura da dupla hélice, particularmente uma sequência AT e, com a presença de ATP, desnatura a dupla hélice, separando as fitas; 2. Proteínas de ligação a DNA de fita simples (SSB): se ligam somente às fitas simples e cooperativamente, ou seja, quando uma proteína se liga, outras são ligadas posteriormente, continuando o processo. Importantes para manter as fitas desestabilizadas, de forma que as duas fitas se mantenham separadas e não permitam a ligação de nucleases, proteínas responsáveis por clivar as fitas simples; 3. DNA helicase: essas enzimas ligam-se ao DNA de fita simples, próximo à forquilha de replicação e movem-se para a vizinhança da região de fita dupla, forçando o desenrolamento e separação da dupla hélice. Dependem de ATP para funcionar e quando abrem a cadeia de DNA, as proteínas SSB se ligam, evitando que ocorra o retorno da formação da dupla hélice Aparecimento de supertorções positivas: após a separação das fitas, podem ocorrer as supertorções ou superenrolamentos (como se fosse um fio de telefone. Quando enrolado na direção da espiral, ocorre o enrolamento sobre ele mesmo, conhecido como supertorção positiva. Se for no sentido contrário, ocorre a supertorção negativa. Para evitar que isso aconteça, algumas enzimas (DNA Topoisomerases) participam do processo: 1. Tipo I: cortam de maneira reversível uma única fita de DNA, atuando como nucleases (corte das fitas) ou ligases (ligação das fitas). Não necessitam de ATP, já que armazenam a energia da clivagem das ligações fosfodiéster e a utiliza para a atuação das ligar a fita novamente. Após o corte transitório, as topoisomerases tipo I relaxam a cadeia intacta antes que seja novamente ligada; 2. Tipo II: se ligam fortemente ao DNA de dupla hélice e fazem cortes transitórios em ambas as fitas, a enzima então induz um estiramento da molécula de DNA para passa-la através da quebra e, por fim, refaz a ligação. Nesse caso, é necessário o ATP para fornecer energia. A enzima é responsável por espiralar negativamente algumas moléculas de DNA, a fim de afrouxar supertorções positivas. Após a quebra, a enzima se liga na extremidade quebrada e restaura a ligação assim que a dupla cadeia passa pela quebra. DIREÇÃO DE REPLICAÇÃO DAS FITAS DE DNA: as DNAs polimerases são capazes de ler as fitas apenas de 3’ para 5’ e formam as novas fitas de 5’ para 3’. Como as fitas são antiparalelas, uma das fitas será formada no sentido de abertura da forquilha, enquanto a outra será formada contrária a abertura da forquilha: 1. Fita contínua: é formada na direção de abertura da forquilha e o processo é praticamente ininterrupto; 2. Fita descontínua: contrária à abertura da forquilha, é sintetizada com interrupções. Ocorre a síntese de pequenos fragmentos de DNA (sempre mais próximos da região de abertura da forquilha), conhecidos como fragmentos de Okazaki. Os fragmentos são posteriormente unidos para a formação da molécula maior de DNA. INICIADOR DE RNA: As DNA polimerase não conseguem iniciar a síntese de uma fita complementar de DNA a partir de um molde de fita simples. Essa enzima necessitade um iniciador de RNA, ou seja, uma fita de RNA pareado com o DNA com uma hidroxila livre na extremidade 3’. Essa hidroxila servirá como um primeiro aceptor de nucleotídeo por ação da DNA polimerase: 1. Primase: uma RNA polimerase específica que sintetiza pequenas regiões de RNA (cerca de 10 nucleotídeos) que são complementares e antiparalelos ao DNA. Essas pequenas sequências de RNA estão constantemente sendo produzidas na forquilha de replicação para a fita descontínua, mas somente uma sequência é necessária na fita contínua para início da replicação. Um pirofosfato é formado a cada ligação fosfodiéster formada; 2. Primossomo: é um complexo de proteínas mais a primase. Antes de iniciar a síntese do iniciador de RNA sobre a fita descontínua, um complexo pré-iniciador, formado por várias proteínas, é montado e liga-se ao DNA de fita simples. Ele inicia a formação dos fragmentos de Okazaki, movendo-se ao longo do molde para a síntese da fita descontínua na direção 5’-3’ ALONGAMENTO DA CADEIA: as DNAs polimerases alongam uma cadeia adicionando desoxirribonucleicos, um de cada vez, na extremidade 3’ da cadeia em crescimento. A sequência de nucleotídeos adicionada é ditada pela fita molde. 1. DNA Polimerase III: responsável pela catálise do alongamento da cadeia de DNA. É uma enzima altamente processadora, e fica conectada à fita simples de DNA, sem precisar se desconectar a cada nucleotídeo adicionado. A nova fita á formada no sentido 5’ - 3’ (antiparalela à fita parental). Os nucleotídeos adicionados são os desoxirribonucleotídeos 5’ trifosfato, e a cada um adicionado, é liberado um pirofosfato. A hidrólise posterior do pirofosfato dará origem a 2 fosfatos. Ou seja, são necessários duas ligações de fosfatos se quebrarem para produzir energia suficiente para a adicionar um nucleotídeo no crescimento da cadeia. Todos os 4 desoxirribonucleicos trifosfato (dATP, dTTp, dCTP e dGTP) devem estar presentes para ocorrer o alongamento do DNA. Se um dos quatro não estiver ou estiver em quantidade reduzida, a síntese de DNA será interrompida. 2. Revisão e erros no DNA: a molécula de DNA recém sintetizada precisa apresentar o menor número de erros possíveis para a sobrevivência de um organismo. A DNA polimerase, além de sua função 5’-3’ de polimerase, realiza uma função de exonucleases 3’-5’ de checagem (a excisão deve sempre ser realizada no sentido contrário à síntese), sempre que um novo nucleotídeo é adicionado. Se o nucleotídeo adicionado não for o correspondente à outra fita, a polimerase ajusta o erro (hidroliticamente quebrando a ligação e não há perigo de degradação de sequências devidamente pareadas). A EXCISÃO DOS INICIADORES DE RNA E SUA SUBSTITUIÇÃO POR DNA: a DNA polimerase III continua a sintetizar DNA na fita descontínua até que seja bloqueada pela proximidade de um iniciador de RNA. Quando isso ocorre, o RNA é retirado e a lacuna preenchida pela DNA polimerase I. 1. Atividade exonucleásica 5’-3’: a DNA polimerase I possui as mesmas funções da III já citada enteriormente, além de ser responsável por remover hidroliticamente o iniciador de RNA (exonucleases porque removem o nucleotídeo pela extremidade da cadeia, e não clivam internamente, como as endonucleases. Enquanto remove o RNA, o substitui com desoxirribonucleotídeos, sintetizando DNA na direção 5’-3 e faz a edição através da atividade exonucleásica 3’-5’ DNA LIGASE: a ligação fosfodiéster final entre o grupo 5’-fosfato na cadeia de DNA sintetizada pela DNA polimerase III e o grupo 3’hidroxila na cadeia produzida pela DNA polimerase I é catalisada pela DNA ligase. A junção dessas duas regiões de DNA necessita de energia, a qual, nos humanos, é fornecida pela clivagem de ATP em AMP + PP. REPLICAÇÃO DO DNA EUCARIÓTICO Ocorre na fase S do ciclo celular; DNAS POLIMERASES EUCARIÓTICAS: 1. Pol α e pol δ: Pol α possui múltiplas subunidades. Uma unidade possui a atividade de primase, a qual inicia a síntese na fita contínua e também inicia cada fragmento de Okazaki na fita descontínua. A subunidade primase sintetiza um pequeno iniciador de RNA, que é alongado pela atividade da polimerase 5’-3’ da pol α, a qual adiciona um pequeno pedaço de DNA. A pol δ é então recrutada para completar a síntese do DNA na fita contínua e alongar cada um dos fragmentos de Okazaki, usando também a sua atividade exonucleásica 3’-5’ para editar o DNA recém sintetizado. 2. Pol β, pol ε e pol γ: as duas primeiras estão envolvidas no reparo do DNA e a terceira replica o DNA mitocondrial. TELÔMEROS E TELOMERASE: são sequências não codificantes de DNA formando complexos com proteínas. As células eucarióticas deparam-se com um problema especial na replicação das extremidades de suas moléculas de DNA lineares. Após a remoção do inciador de RNA da extremidade 5’ final da fita descontínua, não existe maneira de preencher a lacuna remanescente com DNA. Para resolver esse problema e proteger as extremidades dos cromossomas do ataque de nucleases, existem os telômeros. O DNA dos telômeros consiste em sequências repetitivas de T e G, podendo variar de 1 a 4 quantidades de cada, pareados com uma cadeia complementar de A e C. A fita TG é mais longa que o seu complemento A região de fita simples dobra-se sobre si mesma, formando uma estrutura que é estabilizada por proteínas; O encurtamento dos telômeros estão diretamente envolvidos com a senescência: quanto mais velho, menores se tornam os telômeros; A telomerase é um tipo especial de transcriptase reversa, que carrega sua própria molécula de RNA de aproximadamente 150 nucleotídeos. Esse RNA serve como molde da extremidade 3’ do DNA. A telomerase amplia a extremidade 3’ do DNA. TRANSCRIPTASE REVERSA: move-se ao longo do molde na direção 3’-5’, sintetizando o produto de DNA 5’-3’. A falta de edição da transcriptase reversa explica a grande quantidade de mutação dos vírus do HIV. ORGANIZAÇÃO DO DNA EUCARIÓTICO O DNA eucariótico está associado com proteínas básicas fortemente ligadas, chamadas de histonas. Elas servem para ordenar o DNA em unidades estruturais básicas denominadas de nucleossomos, que se assemelham a contas de um colar. Os nucleossomos estão arranjados adicionalmente em estruturas de complexidade cada vez maior, que organizam e condensam as longas moléculas do DNA nos cromossomos, os quais podem ser segregados durante a divisão celular; Existem 5 tipos de histonas: H1, H2A, H2B, H3 e H4. Estão carregadas positivamente em pH fisiológico, por conterem muita lisina e arginina. Formam ligações iônicas com o DNA carregado negativamente; Nucleossomos: duas moléculas de cada uma, exceto H1, formam o centro estrutural dos nucleossomos. Ao redor desse centro, a molécula de DNA está enrolada aproximadamente 2 vezes formando uma hélice superenrolada negativamente. Obs.: as extremidades N-terminadas das histonas podem ser acetiladas, metiladas ou fosforiladas. Quando isso acontece, a força de ligação entre elas e o DNA pode diminuir, podendo afetar a expressão dos genes; Nucleossomos vizinhos são conectados por um trecho de DNA com aproximadamente 50 nucleotídeos, a histona H1, que não é encontrada no centro dos nucleossomos, encontra-se entre os nucleossomos, nesse trecho de DNA. A H1 é a histona mais específica e ajuda no empacotamento dos nucleossomos em estruturas mais compactas; Os nucleossomos podem ser empacotados mais firmemente, formando polinucleossomos (nucleofilamentos). Essa estrutura assume a forma de uma corda,frequentemente referida como uma fibra de 30 nm. Essa fibra é organizada em alças que estão ancoradas por um suporte nuclear que contém várias proteínas. Níveis adicionais de organização levam à formação do cromossomo final. Destino dos nucleossomos durante a replicação do DNA: a cromatina altamente condensada precisa relaxar para replicar. Nucleossomos são deslocados, mas a dissociação entre o centro nucleossômico e o DNA é incompleta, com todas as histonas parentais permanecendo fracamente associadas com apenas uma das fitas de DNA parentais. A síntese de novas estonas acontecem ao mesmo tempo que a replicação do DNA e os nucleossomos contendo as novas histonas associam-se com uma das hélices-filhas. Dessa forma, os octâmeros das histonas parentais são conservados. REPARO DO DNA Apesar do sistema de edição do DNA quando está sendo formado, alguns erros ainda podem ocorrer, como pareamento incorreto ou acréscimo de nucleotídeos extras. Além disso, o DNA pode sofrer alterações devido às condições ambientais. Se o dano não for reparado, uma mutação permanente poderá ocorrer e ocasionar efeitos deletérios, proliferação de células mutadas e ao câncer, finalmente; Algumas enzimas identificam o dano e através da fita irmã, geram uma nova fita reparando as lacunas alteradas;
Compartilhar