1 EstruReplicaDNA

Prévia do material em texto

Pedro Lucas S. Gomes
– Turma: E
Mód: 204
Problema: 2
Objetivos: 
Descrever a estrutura do DNA.
Descrever o processo da replicação do DNA.
Discutir os principais erros espontâneos e específicos durante a replicação do DNA.
Discutir o processo de reparo do DNA.
Descrever o processo de compactação do DNA.
Descrever a estrutura do DNA.
Estrutura do DNA
Molécula de ácido desoxirribonucleico.
Carregada negativamente.
Duas longas cadeias polinucleotídicas.
Cada fita de DNA composta por 4 tipos de subunidades de nucleotídeos.
Nucleotídeos: composto por um açúcar de 5 carbonos (DNA- desoxirribose), ligados por um ou mais grupos fosfato e uma base contendo nitrogênio.
Bases: Adenina, Citosina, Guanina ou Timina
Formam um esqueleto com açúcares e fosfatos alternados.
Cada cadeia unida por pontes de hidrogênio entre as bases dos nucleotídeos.
Forma dupla-hélice de DNA
Os nucleotídeos contêm polaridade baseado nos detalhes da ligação química entre as subunidades nucleotídicas.
Indicado com extremidade 3’ (hidroxila) e 5’ (fosfato).
Os dois esqueletos açúcar-fosfato antiparalelos torcem ao redor um do outro
Contendo 10 bases por volta.
A conformação é mais favorável energeticamente.
A ESTRUTURA DO DNA
A molécula de ácido desoxirribonucleico (DNA) consiste em duas longas cadeias polinucleotídicas.  Cada uma dessas cadeias de DNA ou fitas de DNA é composta por 4 tipos de subunidades de nucleotídeos, e as duas cadeias são unidas por pontes de hidrogênio. Os nucleotídeos são compostos por um açúcar de cinco carbonos aos quais estão ligados um ou mais grupos fosfato e uma base nitrogenada. Nos casos dos nucleotídeos do DNA, o açúcar é uma desoxirribose ligada a um grupo fosfato, podendo conter as bases adenina, citosina, guanina ou timina. As duas extremidades da cadeia são facilmente distinguíveis, pois uma possui a depressão (hidroxila 3’), e a outra, a protuberância (fosfato 5’).
As duas cadeias polinucleotídicas da dupla-hélice de DNA são unidas por pontes de hidrogênio entre as bases. Estando, portanto, com as bases no centro da fita, e os açúcares e fosfatos para fora. As bases não pareiam por acaso; uma base formada por um anel (pirimidina) pareia com uma base de dois anéis (purina) – A sempre pareia com T, C sempre pareia com G.
OS GENES
O DNA codifica a informação na ordem ou sequência de nucleotídeos ao longo de cada fita. Cada base – A, C, T ou G – pode ser considerada como uma letra em um alfabeto de quatro letras que é usado para escrever as mensagens biológicas. A diferença das sequências nucleotídicas é o que faz os organismos diferirem. 
A série completa de informações do DNA de um organismo é denominada genoma.
A ESTRUTURA DOS CROMOSSOMOS
Cada célula humana contém cerca de 2m de DNA, e o núcleo celular tem somente de 5-8 nanômetros de diâmetro. Dobrar todo esse material é o equivalente a dobrar 40km de um fio fino em uma bola de tênis.
Nas células eucarióticas, enormes moléculas de DNA de fita dupla são empacotadas em cromossomos, que se encaixam perfeitamente no núcleo e podem ser facilmente divididos entre as duas células-filhas a cada divisão celular.
O DNA é dobrado de tal forma que suas alças permitem um alto nível de organização, impedindo que este se emaranhe, tornando-se, assim, acessível às enzimas e proteínas necessárias à sua replicação, reparo e expressão de genes.
GENE
A função mais importante dos cromossomos é a de portar os genes, a unidade funcional da hereditariedade. Um gene é, normalmente, definido como um segmento de DNA que contém instruções para produzir uma determinada proteína.
Descrever o processo da replicação do DNA.
REPLICAÇÃO DO DNA
A replicação do DNA produz duas duplas-hélices completas a partir da molécula original de DNA. Como cada fita de DNA original atua como um molde para uma nova fita, cada uma das hélices-filhas de DNA é formada por uma fita original e outra nova; esse modelo de replicação é chamado de semiconservativo. 
O processo de replicação do DNA começa com proteínas iniciadoras que se ligam ao DNA e provocam a abertura das fitas, quebrando as pontes de hidrogênio.
Os locais em que ocorre a abertura inicial das fitas de DNA são as denominadas origens de replicação e são caracterizados por uma sequência específica de nucleotídeos – sequências de DNA que atraem proteínas iniciadoras e são segmentos particularmente fáceis de separar.
Durante o processo, a dupla-hélice é aberta bilateralmente, formando uma estrutura em Y, chamada forquilha de replicação. Como o processo é bidirecional, a cada origem de replicação, temos duas forquilhas, que se afastam da origem copiando nucleotídeos.
No coração da máquina de replicação está a enzima DNA-polimerase, que sintetiza o DNA novo utilizando uma das fitas como molde. Essa enzima catalisa a adição de nucleotídeos à extremidade 3’ de uma cadeia crescente. Os nucleotídeos entram na reação como trifosfatos de nucleosídeos, que fornecem energia para a polimerização por meio de sua hidrólise.
Como a DNA-polimerase só consegue catalisar o crescimento da cadeia no sentido 5’-3’, faz-se necessário a utilização de um mecanismo especial para a fita que está opostamente direcionada.
Tanto para a fita-líder quanto para a fita retardada, a DNA-polimerase monitora o pareamento de bases através de uma atividade chamada correção de erros (proofreading).  Antes de adicionar um novo nucleotídeo à cadeia crescente, ela verifica se o anterior foi pareado corretamente, impedindo erros. Portanto, a polimerização só ocorre no sentido 5’-3’, bem como a correção só ocorre no sentido contrário (3’-5’). Tal fato explica o mecanismo de ‘’costura para trás’’.
Para que a fita retardada possa ser construída, é necessário um ponto de partida para que a DNA-polimerase possa agir. Daí, surge uma enzima que pode produzir segmentos de RNA usando a fita de DNA como molde – a primase. Esse pequeno segmento – primer – é pareado à fita-molde e fornece a extremidade como ponto de início para a DNA-polimerase. 
Na fita-líder, apenas um iniciador de RNA é necessário, visto que o processo é contínuo, porém, na fita retardada, onde a síntese é descontínua, novos primers são reincidentemente necessários. 
Para produzir uma fita contínua a partir dos segmentos nucleicos da fita retardada, são necessárias, ainda, três enzimas. Uma nuclease degrada o primer, uma DNA-polimerase (polimerase de reparo) substitui o RNA por DNA, usando os fragmentos de Okazaki adjacentes como primers, e a enzima DNA-ligase une a extremidade 5’ de um fragmento à extremidade 3’ de outro.
ABRINDO A FORQUILHA
Para que a síntese de DNA possa ocorrer, a dupla-hélice deve estar aberta. Deste modo, são necessárias duas proteínas de replicação – DNA-helicase e proteína ligadora de fitas simples. À frente da máquina de replicação, está a helicase, uma proteína que utiliza a energia da hidrólise do ATP para separar a dupla-hélice à medida que se desloca sobre o DNA. A proteína ligadora de fitas simples se liga ao DNA de fita simples exposto pela helicase, evitando temporariamente o repareamento de bases e mantendo a fita alongada.
Uma proteína adicional, o grampo deslizante, mantém a DNA-polimerase ligada ao DNA-molde enquanto sintetiza a nova fita.  
A TELOMERASE 
Ao chegar ao fim de um cromossomo, encontramos um problema: não é possível adicionar um primer à sua extremidade. As bactérias resolveram esse problema possuindo uma molécula circular de DNA como cromossomo. Os eucariotos resolveram possuindo sequências especiais nas extremidades cromossômicas incorporadas nos telômeros. Essas sequências atraem uma enzima chamada telomerase ao cromossomo. Usando um molde de RNA próprio da enzima, a telomerase recoloca os nucleotídeos na extremidade cromossômica cada vez que um cromossomo é duplicado. Esse alongamento do cromossomo permite que a replicação da fita retardada seja completada.
Replicação do DNA
Semiconservativo:
Cada fita de DNA original atua como um molde para uma nova fita.
Cada uma das hélices-filhasde DNA é formado por uma fita original e outra nova.
Origem da replicação
Local em que ocorre a abertura inicial das fitas de DNA. 
Caracterizado por uma sequência específica de nucleotídeos.
O processo de replicação do DNA começa com proteínas iniciadoras.
Helicase
Que se ligam ao DNA e provoca abertura das fitas. (quebrando as pontes de H)
Em humanos, o início da replicação em vários locais ao mesmo tempo reduz enormemente o tempo necessário para que uma célula copie todo seu genoma.
Forquilha de Replicação
Estrutura em forma de Y
A máquina de replicação se desloca sobre o DNA.
2 forquilhas são formadas a partir de cada origem de replicação.
Se afastam da origem.
DNA-polimerase sintetiza o DNA novo.
Utiliza uma das fitas como molde.
Fragmentos de Okazaki
Ocorre na fita de DNA cuja é extremidade 5’.
Pequenos segmentos sucessivos de DNA polimerizados para trás em relação ao movimento da forquilha.
Chamada fita retardada ≠ fita-líder
Fita Líder
Apenas um iniciador de RNA é necessário para começar a replicação na origem de replicação.
Fita Retardada
Novos iniciadores são continuamente necessários.
3 enzimas adicionais são necessárias.
Uma nuclease degrada o iniciador RNA.
Uma DNA-polimerase (polimerase de reparo), subst. O RNA por DNA 
Uma DNA-ligase, que une a extremidade 5’-fosfato de um fragmento novo de DNA à extremidade 3’-OH. 
Proteínas
Helicase
Enzima responsável por romper as pontes de H da dupla fita de DNA.
Permite que a replicação ocorra nas fitas simples.
Utiliza hidrólise de ATP p/ separar a dupla-hélice
SSB
Proteínas ligantes de fita simples (SSBP).
Single Stranded Base
Proteínas ligadora de fita simples
Atuam na estabilização da fita simples de DNA.
Evita grampos de bases
Mantém a fita alongada
Primase
Proteína responsável por adicionar nucleotídeos de RNA na fita simples de DNA para permitir que a DNA polimerase inicie sua atividade.
DNA Polimerase
É a enzima responsável por promover a síntese da nova fita de DNA.
A partir do iniciador de RNA feito pela Primase.
Tem auxílio da cinta deslizante (PCNA) / Grampo deslizante
p/ polimerizar o DNA extensamente.
Mantém a DNA-polimerase firmemente ligado ao DNA-molde.
Forma um anel ao redor da hélice de DNA
 Necessita da proteína montador de grampo que hidrolisa ATP p/ ser montado.
Tipos:
Polimerase α:
Polimerização na fita descontínua
Polimerase δ/ε: (delta/épsilon)
Polimerização na fita contínua
Topoisomerase (TIPOS? 1 e 2)
É a proteína responsável por aliviar a tensão da abertura na dupla fita a montante da abertura da dupla fita.
Discutir os principais erros espontâneos e específicos durante a replicação do DNA.
Modificações Químicas de Nucleotídeos.
Causados principalmente por:
Colisões térmicas com outras moléculas.
Subprodutos quimicamente reativos do metabolismo.
Alterando de forma suas propriedades de pareamento.
Radiação Ultravioleta da luz solar.
Promove a formação de uma ligação covalente entre bases pirimídicas adjacentes.
Ex: Dímeros de Timina
Normalmente param a maquinaria de replicação de DNA no local da Lesão.
A) A desaminação da citosina produz uracila.
A maquina de replicação de DNA, insere uma adenina.
B) A depurinação provoca a perda de um par de nucleotídeos.
Quando a maquina de replicação encontra uma purina ausente, ela pula p/ o próximo nucleotídeo completo.
Quebras na Fita Dupla
Causas: 
Radiação Ionizante
Acidentes na forquilha de replicação
Agentes oxidantes e metabólitos
Reparo: mecanismo de junção de extremidade não homólogas.
Outros agentes causadores de danos no DNA
Agentes físicos
Radiações (podem causar danos direto ou indiretamente)
Ionizantes 
Principalmente, raio X e Gama
Capacidade de penetrar facilmente na matéria orgânica.
Não ionizantes
Raios ultravioletas (UV) dos grupo A,B e C.
Agentes Químicos
Discutir o processo de reparo do DNA.
Sistema de reparo de malpareamento de DNA
Sist. De segurança da cél.
Corrige 99% dos erros. ( 1/109)
Proteínas de reparo de malpareamento
Corrigem erros que ocorrem durante a replicação de DNA.
As quebras ocorrem em um curto intervalo de tempo.
Menos frequente na fita líder.
O reparo de malpareamento deve ocorrer rapidamente.
A distorção da geometria da dupla-hélice (causada pelo malpareamento), é reconhecida pelas proteínas de reparo.
Assim, removem o DNA recém-sintetizado.
O intervalo é preenchido por uma DNA-polimerase.
É selado pela DNA-ligase.
Foi proposto que uma quebra no DNA atua como um sinal que permite a distinção das fitas recém-sintetizada.
Erros durante a replicação.
A) Se não corrigido, o malpareamento irá causar uma mutação permanente em uma das duas moléculas de DNA produzidas no próximo ciclo de replicação.
B) Se o malpareamento for “corrigido” usando a fita recém-sintetizada como molde, ambas as moléculas produzidas no próximo ciclo de replicação irão conter a mutação.
C) Se o malpareamento for corrigido usando a fita-molde original (antiga) como molde, a mutação é eliminada.
Mecanismo Básico de reparo de DNA
Etapas: 
1- Excisão
A lesão é removida por uma de várias nucleases.
Cada uma especializada em um tipo de lesão no DNA.
Clivam as ligações covalentes
2- Ressíntese
A sequência de DNA original é restaurada pela DNA-polimerase de reparo.
Se liga à extremidade 3’-OH da fita de DNA. (direção 5’-3’)
Preenche o intervalo produzido pela excisão
3- Ligação
A DNA-ligase sela a quebra existente no esqueleto de açúcar-fosfato da fita corrigida.
Necessita da energia da hidrólise de ATP
Restaura as ligações fosfodiéster entre nucleotídeos adjacentes.
Mecanismo de Junção de Extremidade Não Homólogas
Esse mecanismo rápido, mas imperfeito, altera a sequência original de DNA durante o processo de reparo. Normalmente, as alterações são pequenas deleções.
Mecanismo de Recombinação Homóloga
Característica principal: Troca de informação genética entre um par de moléculas de DNA homólogas.
A informação presente em uma dupla-hélice intacta e não danificada é utilizada como molde para reparar com precisão uma dupla-hélice de DNA quebrada.
Também responsável pela geração da diversidade genética durante a meiose.
Mecanismo 5’3’
Descrever o processo de compactação do DNA.
COMPACTAÇÃO DOS CROMOSSOMOS 
As proteínas que se ligam ao DNA para formar os cromossomos são divididas em: as histonas e as proteínas não histonas. As histonas são responsáveis pelo primeiro nível fundamental de compactação à cromatina, o nucleossomo. A fita de DNA se ‘’enrolará’’ no octâmero de histonas, fazendo 1,7 volta, podando, assim, seu ‘’espaço prático’’ em dois terços. A ligação de ambos os componentes se dará por meio da alta concentração de aminoácidos positivamente carregados (lisina e arginina), que ajudará as histonas a se ligarem ao esqueleto de fosfato e aos açúcares negativamente carregados.
O empacotamento não para por aí: com a ajuda da histona H1, os nucleossomo são compactados ainda mais, ‘’encurtando’’ o colar de contas ao realocar o emaranhado de histonas. A histona H1 alterará a organização da fita ao se ligar ao DNA e redirecioná-lo. 
Ao final desses processos, é sabido que esse cordão compacto sofre ainda mais dois níveis de empacotamento até formar o cromossomo mitótico.
Conceitos 
Cromatina
Complexo das duas classes de proteínas com DNA nuclear
Nucleossomo
Primeiro nível de compactação à cromatina.
Uma partícula do cerne do nucleossomo consiste em: 
Um complexo de oito proteínas histonas
Duas moléculas de cada histona H2A, H2B, H3 e H4
Carregado positivamente
Uma fita dupla de DNA 
com cerca de 147 pares de nucleotídeos que circundam esse octâmero de histonas.
Histona H1
Mantém os Nucleossomos unidos em um arranjo repetido regular.
Em um empacotamento dos Nucleossomos em fibras de 30nm.
Eucromatina
Porção ativa da cromatina.
Nucleossomos estão mais espaçados.
Permite o acesso de proteínas importantes.Que promovem a síntese de RNA.
Heterocromatina
Porção inativa da cromatina.
Nucleossomos mais compactados.
Impede o acesso de proteínas importantes.
Que promoveriam a síntese de RNA.
Nucléolo
Porção da cromatina onde se encontra
 Os genes codificantes para o RNA ribossomal.
Maquinaria proteica para confecção do ribossomo.
Notas:
Bibliografia
Biologia Celular e Molecular -Junqueira e Carneiro- 9ª
Fundamentos da Biologia Celular 3ª Edição - Bruce Alberts
Vídeo aula Profº Fernando Mafra – Mestrado em Biologia Molecular