Resumo: Biomol - DNA, replicação, experimentos

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FUNDAMENTOS DE 
BIOLOGIA MOLECULAR
resumo para p1
1.
REVISANDO CONCEITOS 
ANTERIORES
Célula e seus constituintes
Procariontes X Eucariontes
ORGANELAS
Macromoléculas
“A estrutura geral de um • lipídeo é de uma molécula anfipática com pontas 
apolar e polar; essa estrutura é responsável pelas interações não 
covalentes realizadas pelos fosfolipídios para formarem a dupla camada 
que origina as membranas celulares.
As • proteínas são sintetizadas no organismo conforme a informação nos 
genes que constituem o genoma. O gene corresponde a um segmento de 
DNA, que é transcrito em diferentes tipos de RNAs para a tradução da 
molécula de proteína. A estrutura tridimensional da proteína é determinada 
pela sequência de aminoácidos presente na molécula. 
2.
Estrutura dos ácidos nucleicos
Composição Química
Os ácidos nucleicos são macromoléculas formadas por unidades monoméricas
menores, os nucleotídeos. Cada nucleotídeo é formado por três partes:
1. um açúcar do grupo das pentoses (monossacarídeos com cinco átomos de
carbono)
2. um radical “fosfato”, derivado da molécula do ácido ortofosfórico (H3PO4).
uma3. base orgânica nitrogenada.
Ácido nucleico  nucleotídeo  nucleosídeo + fosfato  bases nitrogenadas + pentoses
Composição Química
Sabia• -se da presença de ácidos nucleicos na célula, mas a descoberta de sua
função como substâncias controladoras da atividade celular foi algo novo
Watson e Crick propuseram 
um modelo para esclarecer a 
estrutura e os princípios de 
funcionamento dessas 
substâncias. O volume de 
informações acumuladas 
caracterizam o conhecimento 
biológico que criou 
a Engenharia Genética, que 
lida diretamente com os 
ácidos nucleicos e o seu 
papel biológico.
De• seus três componentes (açúcar, radical
fosfato e base orgânica nitrogenada) apenas
o radical fosfato não varia no nucleotídeo.
Os açúcares e as bases nitrogenadas são
variáveis.
Quanto• aos açucares, dois tipos de pentoses
podem fazer parte de um nucleotídeo: ribose
e desoxirribose.
Composição Química
Quando as bases nitrogenadas apresentam dois anéis, são chamadas de
purinas, já quando possuem apenas um anel, são chamadas de pirimidinas.
1. as púricas: adenina (A) e guanina (G)
2. as pirimídicas: timina (T), citosina (C) e uracila (U).
DNA: composição química
• O ácido desoxirribonucleico (DNA) é um polímero composto por unidades
de desoxirribonucleotídeos. Estes são compostos por: um açúcar, uma
base nitrogenada e grupamentos fosfato.
• O açúcar é a pentose desoxirribose, que está ligada pelo carbono 1' a uma
base nitrogenada heterocíclica e pelo carbono 5' a grupamentos fosfato.
• A ligação entre a base nitrogenada e a pentose é denominada ligação
glicosídica. A molécula composta pela base nitrogenada ligada ao açúcar,
sem grupamentos fosfato, é denominada nucleosídeo.
Quando• um grupamento fosfato está ligado ao carbono 5' da pentose, a
molécula é denominada nucleotídeo.
Estrutura dos nucleotídeos: 
(A) estrutura geral
(B) Os açúcares componentes
(C) Estruturas cristalográficas do ATP e do dATP
DNA: composição química
Os• nucleotídeos estão ligados por pontes fosfodiéster, estabelecidas entre o
grupamento fosfato (5’-P) e o grupamento hidroxílico (3’-OH). Desta
forma, os nucleotídeos ligados formam uma fita de ácido
desoxirribonucleico.
As• cadeias polinucleotídicas conferem uma direcionalidade. O “primeiro”
terá́ uma extremidade 5' e o “último” extremidade 3’.
Durante• a duplicação do DNA, a DNA polimerase (principal enzima
envolvida) sintetiza as fitas de DNA no sentido 5’3', produzindo fitas
complementares. Toda a maquinaria enzimática relacionada à síntese de
DNA obedece a esse sentido.
DNA: composição química
Estudos• do DNA demonstraram que os ângulos das ligações covalentes e
as interações entre as nuvens eletrônicas conferem certa rigidez à
conformação espacial das cadeias do DNA.
• O maior grau de rotação ocorre nas ligações entre o oxigênio e o fosforo
(ligação fosfodiéster) e entre a pentose e a base nitrogenada (ligação
glicosídica).
Mesmo• nessas posições existem localizações preferenciais, demonstrando
que as moléculas de DNA assumem conformações espaciais não
aleatórias. Estas características químicas das cadeias de DNA contribuem
para a formação da hélice dupla.
Hélice dupla
• O modelo proposto por Watson e Crick mostrou que o DNA é uma hélice dupla e
que as suas duas fitas se enrolam em torno do eixo da hélice. As desoxirriboses
ficam externas em relação às bases nitrogenadas, como se fossem o corrimão
de uma escada circular.
As• ligações fosfodiéster nas duas fitas estão em direções opostas – uma fita na
direção 5'→ 3' e a outra na direção 3'→ 5' –, sendo, portanto, antiparalelas.
• O pareamento das bases é fundamental para a manutenção da hélice dupla. Cada
base nitrogenada de uma das cadeias está pareada com a base complementar na
outra cadeia de DNA. Este pareamento ocorre pela formação de pontes de
hidrogênio entre as duas fitas.
Hélice dupla
• A presença de grupamentos ceto, C=O, (que seria AT) e amínico, C-NH2, (CG)
permite a formação de pontes de hidrogênio entre as bases.
Isto• confere à molécula de DNA a complementaridade, ou seja, sempre que
existir uma A em uma fita haverá́ uma T pareada, e quando houver uma C na
outra fita haverá uma G.
Esta• é uma propriedade fundamental do DNA e a base para a replicação e para
a transcrição.
Hélice dupla
Os• pareamentos por pontes de hidrogênio entre as bases no DNA não
apresentam a mesma estabilidade em relação aos agentes desnaturantes,
devido à presença de duas pontes de hidrogênio entre os pares AT e três
pontes entre os pares CG.
Para• um rompimento CG são necessárias temperaturas mais elevadas ou pH
mais alcalino do que para a separação de um par AT.
Quanto• maior for a porcentagem de GC, maior será́ a temperatura necessária
para desnaturar a molécula de DNA e, portanto, maior será́ o valor de Tm.
Cadeia dupla e pontes de
hidrogênio na molécula de
DNA.
(A) Representa a forma
planar das duas cadeias
(fitas) de DNA, mostrando
a formação das pontes de
hidrogênio,
(B) Representa a forma
planar dos pareamentos
entre adenina e timina e
entre citosina e guanina.
As pontes de hidrogênio
estão representadas em
vermelho.
As• ligações glicosídicas no DNA, entre as
desoxirriboses e as bases nitrogenadas, não estão
diretamente opostas na hélice dupla, gerando duas
cavidades desiguais em seu contorno. A cavidade
maior e cavidade menor.
• O DNA de hélice dupla, em geral, sofre um super-
enrolamento, que forma a sua estrutura terciaria. O
super-enrolamento é mantido nas células por enzimas
denominadas topoisomerases e é fundamental para
vários processos.
Observe que as bases nitrogenadas são perpendiculares ao eixo da
hélice. São mostradas as duas cavidades formadas na hélice.
PROPRIEDADES QUÍMICAS DO DNA
As• propriedades químicas do DNA mais importantes para as funções de
armazenamento da informação genética são:
Complementaridadea. entre as bases nitrogenadas das duas cadeias
Antiparalelismob. (que confere direcionalidade às cadeias)
c. Capacidade de desnaturação e renaturação da hélice dupla.
• A desnaturação ocorre quando as pontes de hidrogênio entre as cadeias
complementares do DNA, que formam a hélice dupla, são rompidas e as
fitas se separam. O processo inverso, o restabelecimento das pontes de
hidrogênio entre as bases complementares (formação da hélice dupla) é a
renaturação.
RNA
O RNA • é composto pela ribose e pelas 
bases nitrogenadas: adenina, uracila, 
citosina e guanina. 
O • RNA normalmente é de cadeia 
simples, mas forma muitas estruturas 
secundárias por pareamentos internos. 
Existem varias • classes de RNAs nas 
célulasdiretamente envolvidas na 
síntese de proteínas, no processamento 
dos RNAs.
As • classes básicas são o RNA 
mensageiro (mRNA), o ribossômico 
(rRNA) e o transportador (tRNA).
3. CROMATINA
CROMATINA
As• moléculas de DNA que constituem os genomas celulares ocupam
volumes maiores do que os dos compartimentos que as contém. Para
que essas moléculas sejam acomodadas em células procarióticas elas
precisam ser compactadas, constituindo o que se chama de
cromatina.
Na• cromatina, o DNA é compactado de maneira organizada e
reversível, de modo que, conforme a demanda fisiológica da célula,
ele pode ser descompactado para permitir a ocorrência de processos
como a replicação e a transcrição.
HISTONAS
As• principais proteínas da cromatina são as histonas.
As• histonas funcionam como a matriz na qual o DNA se enrola. Têm um papel
importante na regulação dos genes. Ao compactarem o DNA, permitem que os
genomas eucarióticos de grandes dimensões caibam dentro do núcleo das células.
4. ORGANIZAÇÃO DO GENOMA
genoma
Um• genoma, seja ele de um procarioto ou de um eucarioto, possui sempre a
mesma função básica, que é a de servir como um repositório replicativo da
informação codificada pelo DNA que o constitui. Todas as características de uma
espécie, da morfologia à senescência estão armazenadas no DNA da espécie, no
seu genoma.
Genoma1. Eucarioto: DNA cromossômico + DNA mitocondrial
Genoma2. Bactéria: DNA cromossômico + DNA plasmodial
Genoma3. Vegetal: DNA cromossômico + DNA cloroplastidial + DNA mitocondrial
GENOMA PROCARIOTO
Em• procariotos, genes que codificam produtos com funções relacionadas (por
exemplo, componentes de uma mesma via metabólica) ocupam posições
adjacentes no cromossomo e são co-transcritos
Procariotos• possuem genomas pequenos, circulares, poucos genes e operons
(conjunto de genes nos procariontes e em alguns eucariontes que se encontram
funcionalmente relacionados, e controlados coordenadamente, sendo todos
expressos em apenas um RNA mensageiro. Ou seja, é constituído
pelo promotor, o operador e os genes estruturais.)
GENOMA PROCARIOTO
• Procariotos possuem colinearidade, que se trata de
uma equivalência entre a sequência nucleotídica do
gene e a sequência de aminoácidos da proteína no
procariotos
• Nos eucarióticos, a organização dos genes nem
sempre é colinear, pois um grande número de genes
apresenta interrupções na sua sequência nucleotídica.
• Códon é cada pedaço de 3 bases do RNA (cada
códon corresponde a uma trinca de nucleotídeos que
codifica um aminoácido de uma proteína)
GENOMA EUCARIOTO
• A organização dos genes no DNA eucariótico é
bastante complexo.
Os• genes eucarióticos são interrompidos por
sequências não codantes denominadas
íntrons. As sequências codantes, ou
sequências expressas, são denominadas
éxons. Os éxons são geralmente mais curtos
do que os íntrons, sendo a sequência
codificadora de um gene eucariótico apenas
uma fração do comprimento total do gene.
Assim• não há uma colinearidade entre o
tamanho do gene e a proteína no eucariotos
como há nos procariotos
GENOMA EUCARIOTO
Cada gene eucarioto •
tem a sua região 
promotora e suas 
regiões regulatórias. 
Os genes eucariotos 
não estão 
organizados em 
operons como os 
procariotos. Isto 
contribui para maior 
complexidade dos 
organismos 
eucariotos.
genoma
Como• um número maior de genes é necessário para direcionar a formação de
organismos mais complexos, o tamanho do genoma está relativamente
relacionado à complexidade do organismo.
Organismos• simples tendem a utilizar a maior parte do DNA para codificar
proteínas, enquanto organismos mais complexos utilizam apenas uma pequena
porção do seu DNA.
Os• organismos mais complexos apresentam um maior número de sequências
regulatórias, o surgimento de sequências intergênicas que contribuem para a
expansão de regiões não codificadoras dos seus genomas.
• A maior parte do genoma humano é composta por sequências intergênicas.
5. REPLICAÇÃO DO DNA
REPLICAÇÃO
Para• que as células mantenham o mesmo material genético, todo o genoma
deverá ser precisamente replicado antes de cada evento de divisão celular.
• A replicação do DNA necessita de atividades enzimáticas que devem agir de
maneira coordenada nos estágios de início, alongamento da cadeia e término. O
conjunto de proteína que atuam na replicação é denominado replissomo.
• A replicação ocorrerá apenas se existir uma molécula de DNA a ser copiada (fita-
molde), com uma região pareada contendo uma extremidade 3'-OH livre onde
será́ iniciada a síntese da nova fita de DNA.
• A adição dos nucleotídeos para o crescimento da cadeia é sempre no sentido de
5'-P para 3'-OH (5’  3’).
Replicação unidirecional e bidirecional 
Na• replicação unidirecional, uma forquilha de replicação parte da origem e
segue replicando o DNA em uma só direção, ao passo que na bidirecional, duas
forquilhas de replicação deixam a origem em direções opostas.
• A replicação de DNA ocorre de forma semiconservativa, sendo cada fita de
DNA copiada no sentido 5'→3', originando novas fitas. Nesta forma de
replicação, as duas fitas de DNA parental devem ser separadas e cada uma
servirá de molde para a síntese das novas fitas de DNA.
Este• processo é considerado semiconservativo, pois as moléculas de DNA
geradas, após a replicação, contem somente uma das fitas recém-sintetizada
e a outra corresponde à fita do DNA parental (molde).
Replicação unidirecional e bidirecional 
• A molécula de DNA de fita dupla é mantida por meio do pareamento de
bases complementares e da polaridade inversa, sendo uma fita orientada
no sentido 5'→3' e a outra no sentido 3'→5' (antiparalelismo).
Cada• fita nova sintetizada é complementar (pareamento AT e GC) à fita
molde.
ENZIMAS
IMPORTANTE! 
Colocar no resumo da prova
1. A replicação se inicia em uma sequência específica de nucleotídeos chamada de origem de
replicação, local específico onde a enzima Helicase ativa a abertura e o desenrolamento das duplas
fitas de DNA.
2. A síntese do DNA é bidirecional, sendo assim há abertura dos dois lados da fita, aumentando assim a
velocidade de replicação, formando assim as forquilhas de replicação (toposimerases).
3. Após separadas, as fitas parentais possuem a tendência de se reassociarem novamente, problema
que é resolvido pela enzima SSbs, que impede que a fitas parentais se fechem (é uma proteína
estabilizadora da fita simples).
4. O DNA polimerase, enzima principal, porém é o DNA primase que inicia a síntese de uma nova fita
de DNA. Ele inicia sintetizando o Primer de RNA.
5. A partir do Primer, o DNA polimerase entra em ação, complementando com adição de
nucleotídeos, que irá formar a nova fita de DNA (essa adição ocorre no sentido ‘5  3’).
6. A fita que corre nesse sentido é chamada de cadeia líder, leva um único Primer e possui síntese
contínua. Já a descontínua (3’  5’) leva o nome de cadeia em retardo e demanda mais de um
Primer, entre os quais serão sintetizados fragmentos de DNA, conhecidos como fragmentos de
OKASAKI.
7. Para formar uma fita contínua, os Primers devem ser removidos da cadeia em retardo, função essa
da RNAse H. Uma vez removidos, os Primers são substituídos por sequências de DNA, ação
realizada por outra DNApolimerase, essa coloca 1.000 nucleotídeos por segundo, necessitando do
Grampo deslizante para manter a estabilidade e velocidade.
8. Por último, a DNA ligase promove a união das fitas.
6. MUTAÇÃO E REPARO DO DNA
REVISÃO
As• células têm uma variedade de mecanismos para prevenir mutações,
ou mudanças permanentes na sequência de DNA.
DNA• polimerases são as enzimas que constroem o DNA nas células.
Durante a replicação do DNA (cópia), a maioria das DNA polimerases"verificam seu trabalho" a cada base que acrescentam. Esse processo é
chamado revisão.
Se• a polimerase detecta que um nucleotídeo errado (incorretamente
pareado) foi adicionado, ela irá removê-lo e substituí-lo imediatamente,
antes de continuar com a síntese de DNA.
REPARO POR MALPAREAMENTO
Vários• erros são corrigidos pela revisão, mas alguns poucos escapam. Reparo
de malpareamento acontece logo após o novo DNA ter sido feito, e sua função é
remover e substituir as bases malpareadas (aquelas que não foram corrigidas
durante a revisão).
Primeiro• , um complexo de proteínas reconhece e liga-se à base malpareada. Um
segundo complexo corta o DNA próximo ao malpareamento e mais enzimas
cortam o nucleotídeo incorreto e um pedaço do DNA que o envolve. Uma DNA
polimerase substitui a parte que falta com os nucleotídeos corretos, e uma
enzima chamada DNA ligase fecha a lacuna.
REPARO POR EXCISÃO DE BASES
Uma• base, ou conjunto de bases inseridas erradas
podem ser retiradas e substituídas por bases novas
• O mecanismo utiliza a complementaridade de bases
da dupla fita
Ocorre• o corte da ligação base-açúcar e a
substituição pela base correta, de acordo com o
molde.
7. EXPERIMENTOS
Proteína x DNA
• O trabalho de Gregor Mendel mostrou que características não eram herdadas
diretamente, mas sim especificadas por genes que passam dos pais para a prole. O
trabalho de outros cientistas por volta do século 20, estabeleceram que os fatores
hereditários eram transmitidos pelos cromossomos.
Cientistas• inicialmente pensaram que as proteínas, que são encontradas em
cromossomos, seriam as componentes do material genético. Proteínas eram
conhecidas por suas sequências diversas de aminoácidos, enquanto se pensava que
o DNA era um polímero repetitivo.
Hoje• , sabemos que o DNA na verdade não é repetitivo e pode carregar grandes
quantidades de informação.
• Isso foi descoberto com os próximos experimentos:
FREDERICK GRIFFITH: transformação bacteriana
Em• 1928, o bacteriologista Frederick Griffith conduziu uma série de experimentos
usando a bactéria Streptococcus pneumoniae e ratos para criar a vacina contra a
pneumonia. Em seus experimentos, Griffith usou duas cepas relacionadas de
bactéria:
CepaI. R: quando cultivadas em placa de Petri, a bactéria R forma colônias de
bactérias, que têm bordas bem definidas e aparência rugosa. As bactérias R são
avirulentas quando injetadas em ratos.
CepaII. S: a bactéria S formou colônias arredondadas e suaves. A aparência suave
se dá por conta de uma capa a base de açúcar produzida pela bactéria. Essa capa
protegeu a bactéria S do sistema imune do rato, fazendo-as virulentos (capazes de
causar doenças). Ratos em que foram injetadas bactérias S vivas desenvolveram
pneumonia e morreram.
FREDERICK GRIFFITH: transformação bacteriana
Como• parte de seus experimentos, Griffith
tentou injetar ratos com bactérias S mortas
por calor, o que não causou doença nos
ratos.
Contudo• , quando bactérias R inofensivas
foram combinadas com bactérias S
mortas por calor, não só o rato contraiu
pneumonia e morreu, mas em uma amostra
de sangue do rato morto, ele encontrou
bactérias S vivas!
Griffith• concluiu que as bactérias da cepa R
teriam adquirido o "princípio transformante"
da bactéria S morta por calor, permitindo
que elas se "transformassem" em bactérias
S, tornando-se virulentas.
Avery, MacLeod e McCarty: 
Identificando o princípio transformante
• Em 1944, três pesquisadores, dispuseram-se a identificar o "princípio transformante"
de Griffith. Assim, começaram com grandes culturas de células S inativadas por calor
e purificaram o princípio transformante. Por este método foram capazes de obter
pequenas quantidades de princípio transformante altamente purificado, que eles
puderam então analisar através de outros testes para determinar sua identidade.
• A substância apresentou resultados negativos em testes químicos conhecidos para
detectar proteínas, mas um resultado fortemente positivo em um teste químico
conhecido para detectar DNA. Enzimas que degradam proteínas e RNA tinha pouco
efeito, mas enzimas capazes de degradar DNA eliminavam a atividade
transformante.
• Contudo, Avery foi cauteloso. Ele percebeu que era possível que alguma substância
contaminante presente em pequenas quantidades fosse o verdadeiro princípio
transformante. Por causa desta possibilidade, o debate acerca da função do DNA
continuou até 1952.
Hershey-Chase
Hershey• e Chase estudaram bacteriófagos, ou vírus que atacam bactérias. Os
fagos que usaram era simples partículas compostas de proteína e DNA. Eles
sabiam que os fagos prendiam-se à superfície de uma célula bacteriana
hospedeira e injetavam alguma substância (DNA ou proteína) no hospedeiro.
Esta substância era o material genético do fago.
Para• estabelecer se o fago injetava DNA ou proteína no interior da bactéria
hospedeira, Hershey e Chase prepararam dois lotes. Em cada lote, os fagos
eram produzidos na presença de elemento radiativo que era incorporado no
DNA e nas proteínas sintetizadas pelos fagos.
Uma• amostra foi produzida na presença de enxofre (encontrado em proteínas e
ausente no DNA). A outra amostra foi produzida na presença de fósforo
(encontrado no DNA mas não em proteínas).
Hershey-Chase
Cada• lote de fagos era usado para infectar uma cultura diferente de bactérias.
Após a infecção, cada cultura passou por um tratamento para a remoção de
fagos e uma centrifugação, esta faz o material mais pesado, como bactérias,
moverem-se para o sedimentado e o material mais leve para o sobrenadante.
Quando• Hershey e Chase mediram a radioatividade no sedimentado e no
sobrenadante para ambos os experimentos, eles encontraram uma grande
quantidade de fósforo no material sedimentado, enquanto quase todo
o enxofre apareceu no sobrenadante.
Com• base neste e em experimentos similares, Hershey e Chase concluíram que
o DNA, não a proteína, era injetado nas células hospedeiras e compunham o
material genético dos fagos.