Biologia molecular (2)

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Biologia molecular 
Prova I
Características da composição das células
Água: substância encontrada em maior quantidade nos seres vivos. Pode dissolver diversas substâncias, por isso é classificada como solvente universal. No corpo humano representa cerca de 70% do peso corporal. Participa de inúmeras reações químicas em nosso organismo. 
Sais minerais: formados por íons. Algumas de suas funções são: formar o esqueleto, participar da coagulação sanguínea, transmissão de impulsos nervosos. Sua falta pode afetar o metabolismo e levar à morte. Os sais mais comuns na composição da matéria viva são os cloretos, os carbonatos, os fosfatos, os nitratos e os sulfatos (de sódio, de potássio, de cálcio, de magnésio e outros).
Polímeros biológicos
A célula possui moléculas pequenas e as macromoléculas. Os polímeros biológicos são as macromoléculas que são subunidades formadoras de polímeros constituídas basicamente de três tipos: ácidos nucleicos, proteínas, constituídas pelos aminoácidos e os carboidratos ou polissacarídeos. As células ainda possuem uma enorme quantidade de lipídeos que não são polímeros. As moléculas pequenas são os nucleotídeos, os aminoácidos os açucarem e os ácidos graxos.
Carboidratos: Esses polímeros constituem-se na principal fonte de energia celular, sendo, também, constituintes estruturais importantes da parede celular. Também atuam como sinais de reconhecimento específico, desenvolvendo um papel informacional, e, além disso, são substâncias intercelulares com função estrutural. Os carboidratos podem ser classificados em três categorias básicas: monossacarídeos, oligossacarídeos e polissacarídeos.
Lipídios: abrangem uma classe de compostos com estrutura variada e exercem diferentes funções biológicas. São substancias fisicamente caracterizadas pela insolubilidade em agua e solubilidade em solventes orgânicos, como o éter, o álcool e o clorofórmio.
Ácido graxo: um ácido carboxílico (COOH) de cadeia alifática. São considerados componentes orgânicos, ou em outras palavras, eles contêm carbono e hidrogênio em suas moléculas. Estes ácidos são produzidos quando as gorduras são quebradas. São pouco solúveis em água (quanto maior a cadeia carbônica, menor a solubilidade), e podem ser usados como energia pelas células. São classificados em monoinsaturados, poliinsaturados, ou saturados.
PROTEINAS
As proteínas são formadas essencialmente por carbono, oxigênio, nitrogênio e hidrogênio, mas podem apresentar enxofre. São macromoléculas formadas pela união de varias moléculas menores denominadas aminoácidos. Elas participam da composição de muitas estruturas do corpo dos seres vivos, tendo, principalmente, função plástica, embora também possam ter função energética. Os aminoácidos são proteínas, existem vinte tipos de aminoácidos que podem participar da formação das proteínas. Todos eles possuem em sua molécula um agrupamento amino (NH2) e um carbóxilo ou acido (COOH).
Cada proteína tem a mesma forma e função e, consequentemente, sempre a mesma função. Fica evidente a importância dos aminos ácidos na proteína. Alterações que possam ocorrer nela, em função de mutações do material genético provocar alterações na forma e na função.
Também existem proteínas capazes de se ligar ao DNA. As chamadas histonas possuem um grande numero de resíduos de aminoácidos carregados positivamente, o que permite a forte interação com a molécula de DNA na formação da cromatina. Ainda, a expressão de muitos genes é controlada pela ligação de proteínas que reconhecem sequencias especificas do DNA. A região da proteína que se associa a um ligante é conhecida como sitio de ligação. A ligação de uma determinada proteína pode dar-se por um dos seguintes mecanismos gerais:
Competição: quando duas ou mais proteínas competem pelo mesmo sitio de ligação no DNA ou RNA. Nesse caso, a ligação dependerá da concentração de cada uma das proteínas e da sua intensidade de ligação ao acido nucleico. 
Cooperação: quando duas ou mais proteínas não se ligam isoladamente ao acido nucleico mesmo na presença da sequencia-alvo, mas ligam-se quando presentes conjuntamente. Em outro tipo de cooperação, uma segunda proteína somente se liga ao acido nucleico após ligação de uma proteína inicial, que reconhece a sequencia especifica. 
Autocooperação: quando proteínas iguais ligam-se a regiões adjacentes do DNA ou RNA e a ligação da primeira molécula facilita a ligação das moléculas subsequentes. 
INTERAÇÃO ENTRE ACIDOS NUCLEICOS E PROTEINAS
Em relação à especificidade, essas proteínas podem ser dois tipos: 
Não-especifica: que são as proteínas que se ligam ao longo da molécula de maneira relativamente inesperada. Essas proteínas, normalmente, compactam o DNA ou mantem a sua estabilidade e evitam o acesso de outras proteínas.
Sequencia-especifica: que são proteínas que se ligam a sequencia definidas de nucleotídeos. Elas desempenham uma variedade de funções na célula, tais como o arranjo do DNA em domínios. Algumas auxiliam ainda no inicio da transcrição, enquanto a maioria está envolvida no controle do processo.
ORGANIZAÇÃO GENICA DOS PROCARIOTOS
 O genoma da célula bacteriana consiste essencialmente em um cromossomo único, formado por uma molécula de DNA de fita dupla circular covalentemente fechada. Na sua estrutura podes se constituídos por DNA ou RNA, for fita dupla ou simples, lineares ou circulares. Por terem um cromossomo único, os procariotos são organismos haploides. A principal da haploidia é que qualquer alteração mutacional que eventualmente ocorra no material genético é sempre fenotipicamente expressada na bactéria e, por conseguinte, imediatamente submetida á pressão da seleção natural. Um cromossomo único bacteriano, por possuir sua própria origem de replicação e, por isso, ser capaz de autoduplicação, constitui um replicon. O cromossomo possui uma única origem de replicação, denominada de oriC, e é replicado num único evento de replicação bidirecional, que termina numa região denominada de terC, diametralmente oposta à oriC. 
- Unidades de transcrição mais ativam estão orientadas em relação à origem de replicação para minimizar colisões entre RNA polimerase e DNA polimerase.
-Localização preferencial de genes particularmente ativos próximos à origem de replicação. Devido a multiplicação extremamente rápida o que leva a que a oriC esteja quase sempre em duplicata.
Os genomas procariotos apresentam uma estrutura bastante compactada e dedicada, quase que exclusivamente, à codificação de proteínas. Em casos extremos de compactação de genomas procariotos pode ocorrer a sobreposição de genes. A sobreposição de genes é um tipo de organização genica que permite que uma mesma sequência codifique duas proteínas diferentes, não necessariamente homologas entre si. Esse tipo de organização ocorre mais em genomas virais que são únicos a apresentar genes completamente sobrepostos. Já em bactérias, é comum a sobreposição de poucos pares de bases de dois genes adjacentes que fazem parte de um mesmo operon, na região onde um deles termina e outro inicia. A Superposição de genes permite expressar o maior numero de proteínas num menor espaço.
Além do cromossomo único, a maioria das bactérias apresenta um numero considerável de unidades genéticas acessórias, referidas geneticamente como elementos genéticos moveis. Os principais elementos genéticos moveis de procariontes são os vírus que infectam bactérias (bacteriófagos), os plasmídeos, que são pequenos elementos extracromossômicos sem uma forma extracelular, e os elementos transponíveis.
ELEMENTOS GENETICOS MOVEIS
Unidades genéticas acessórias são consideradas moveis por que, graças a diferentes mecanismos moleculares, são capazes de mediar a sua própria transferência para outras bactérias, como no caso de bacteriófagos e de alguns plasmídeos, ou pelo menos, para diferentes sítios dentro do genoma de uma mesma bactéria.
PLASMIDEOS
São elementos genéticos extracromossomais com a capacidade de replicação autônoma, que não possuem uma forma extracelular.A grande maioria dos plasmídeos é formada por moléculas de DNA de fita dupla circulares, embora existam alguns poucos plasmídeos de DNA de fita dupla lineares, que geralmente ocorrem em bactérias que também possuem cromossomos lineares. Por serem capazes de se auto-replicar, os plasmídeos são também considerados replicons, multiplicando-se independentemente do cromossomo bacteriano. O tamanho dos plasmídeos pode varia de 1 a 1000 kb, e a sequência nucleotídica da maioria tem pouca ou nenhuma homologia com o cromossomo da célula hospedeira.
1 – DNA cromossômico 2- plasmídeos
Os plasmídeos são utilizados como vetores e estão relacionados com a conjugação bacteriana.
Existem dois grupos básicos de plasmídeos: os conjuntivos e os não-conjuntivos.
Plasmídeos conjuntivos: contém um gene chamado tra-gene, que pode iniciar a conjugação, isto é, a troca sexual de plasmídeos com outra bactéria (conjugação não é um tipo de reprodução sexuada.)
Plasmídeos não-conjuntivos: são incapazes de iniciar a conjugação e, por esse motivo, não há movimento independente para outra bactéria, mas podem ser transferidos com plasmídeos conjuntivos durante a conjugação. 
Outros tipos de plasmídeos: 
Plasmídeo F e F’: esse tipo de plasmídeo é responsável pela fertilidade das bactérias.
Plasmídeo R (ou RTF): esse tipo de plasmídeo confere a resistência bacteriana aos antimicrobianos.
Plasmídeo COL (ou colicinogênico): já este tipo está intimamente relacionado à fixação do nitrogênio no solo, ele é responsável por esta fixação.
BACTERIOFAGOS
São vírus que infectam bactérias, não possuem maquinaria metabólica própria e, dessa forma, são incapazes de se multiplicarem na ausência de um hospedeiro. A infecção da bactéria pelo fago ocorre em três etapas principais: A colisão, a adsorção e a injeção do acido nucleico. Após a entrada do genoma viral num hospedeiro suscetível, o fago pode entrar num ciclo lítico u lisogênico.
No ciclo lítico, o vírus invade a bactéria, onde as funções normais desta são interrompidas na presença de ácido nucléico do vírus (DNA ou RNA). Esse, ao mesmo tempo em que é replicado, comanda a síntese das proteínas que comporão o capsídeo. Os capsídeos organizam-se e envolvem as moléculas de ácido nucléico. São produzidos, então novos vírus. Ocorre a lise, ou seja, a célula infectada rompe-se e os novos bacteriófagos são liberados. Sintomas causados por um vírus que se reproduz através desta maneira, em um organismo multicelular aparecem imediatamente. Nesse ciclo, os vírus utilizam o equipamento bioquímico (Ribossomo)da célula para fabricar sua proteína (Capsídeo)
No ciclo lisogênico, o vírus insere seu material genético na bactéria ou na célula hospedeira, onde o DNA viral incorpora-se ao DNA da célula infectada. Isto é, o DNA viral torna-se parte do DNA da célula infectada. Uma vez infectada, a célula continua suas operações normais, como reprodução e ciclo celular. Durante o processo de divisão celular, o material genético da célula, juntamente com o material genético do vírus que foi incorporado, sofre duplicação e em seguida são divididos equitativamente entre as células-filhas. Assim, uma vez infectada, uma célula começará a transmitir o vírus sempre que passar por mitose e todas as células estarão infectadas também. Após a penetração, o material genético viral codifica enzimas que destroem o DNA da célula e passa a comandá-la.
MOBILIZAÇÃO DO MATERIAL GENETICO BACTERIANO MEDIADO POR BACTERIOFAGOS
Certos fagos tem a capacidade de atuar como vetores naturais para a transferência de pequenos segmentos de DNA do cromossomo bacteriano de uma célula para outra, num processo denominado de transdução. Existem dois mecanismos de transdução: generalizada, em que qualquer gene pode ser transmitido, e restrito, que se limita a alguns genes específicos.
Na transdução generalizada, nucleases virais quebram o genoma do hospedeiro. Alguns fragmentos são depois encapsulados, formando-se uma partícula transdutora. Quando esta infecta outra bactéria, o DNA pode integrar-se no seu genoma.
A transdução restrita está ligada ao ciclo lisogênico dos fagos. Onde o DNA viral simula que é uma bactéria. Neste caso, o genoma viral insere-se num local específico do genoma bacteriano e é transmitido à descendência. Quando o ciclo lítico é desencadeado, o genoma viral é excisado por proteínas virais e, por vezes, fica agarrado a algum DNA bacteriano e é encapsulado, tal como na transdução generalizada. Ou seja, ele acompanha todo o desenvolvimento do DNA bacteriano, inclusive a sua reprodução.
ELEMENTOS TRANSPONIVEIS
São elementos genéticos móveis constituídos, essencialmente, por genes que codificam enzimas conhecidas como transposases, flanqueadas por sequencias de DNA terminais especificas. As transposases catalisam a inserção do próprio elemento ou de uma copia idêntica a ele em um novo sitio genômico, num evento chamado transposição. A transposição envolve processos de recombinação e replicação que, geralmente, dão origem a duas novas cópias do elemento transponível original: que permanece no sitio de parental e outra que é inserida em um determinado sítio-alvo. Alternativamente, o elemento transponível pode ser simplesmente removido de seu sitio original e inserido em um outro sítio do genoma. A inserção de elementos transponíveis invariavelmente afeta a integridade de suas sequencias-alvo, eventualmente inativando determinados genes. Esses elementos também podem causar deleções, inversões ou duplicações de partes do material genético bacteriano durante o processo de transposição.
Duas classes principais de elementos transponíveis foram identificadas em bactérias: sequencias de inserção, também denominadas de transposons simples ou apenas IS, são elementos transponíveis que contem apenas a informação genética essencial para a transposição.
Transposons complexos, ou Tn, são elementos transponíveis nos quais está incluído, entre sequencias terminais especificas, material genético adicional, não relacionado com a transposição. Em alguns Transposons complexos, dois elementos IS flanqueiam de um a vários genes bacterianos funcionais, inclusive genes que codificam resistência a antibióticos. 
GENE EUCARIOTO
No genoma eucarioto, a região reguladora de um gene eucariótico, que controla sua transcrição, geralmente é bem mais extensa e contem um numero de elementos muito maiores do que o observado em genes procariotos. Eles podem conter elementos reguladores muito distantes da região codificadora, é a presença de sequencias nucleotídicas intervenientes interrompendo a região codificadora e/ou, em alguns casos menos comuns, as regiões flanqueadoras transcrita, mas não traduzida. As sequencias intervenientes, denominadas de íntrons, dividem o gene em vários segmentos denominado de éxons. As sequencias correspondentes aos íntrons estão presentes no DNA genômico, são transcritas em um RNA precursor (pré-mRNA), mas são removidas durante o processamento do RNA, que dá origem ao mRNA maduro. O número de íntrons por gene varia bastantes, tanto dentro de um mesmo genoma como quando são comparados genomas de diferentes espécies, sejam elas aparentadas ou não. Em média, um gene eucariótico contém 3,7 íntrons por quilobase de regiação codificadora. Os íntrons tendem a serem maiores do que os éxons. Outro aspecto importante da estrutura dos genes eucarióticos é que eles estão organizados, via de regra, como unidades de transcrição individuais. Ao contrário dos procariotos, parece ser rara a organização reguladora de um gene sob controle de uma única região regulador, formando um operon.
GENOMA EUCARIOTO
 
Material genético de uma célula eucariótica (DNA) está essencialmente contido no núcleo, formando o genoma nuclear. Além disso, as mitocôndrias, em todos os eucariotos, e os cloroplastos, em células vegetais, possuem pequenos genomas especializados que codificam funções específicas dessas organelas (mtDNA e ctDNA). O DNA está divido em dois ou mais cromossomos. A maioriados organismos eucarióticos é diploide, possuindo dois conjuntos completos de cromossomos em cada célula somática. Podem ser haplóides (leveduras e alguns fungos com 1 conjunto) ou poliplóides (3 ou mais cópias de cada cromossomo). Os cromossomos eucarióticos são lineares, cada uma deles sendo constituída por uma molécula de DNA. 
Paradoxo do Valor C
É a impossibilidade de correlacionar o tamanho do genoma (valor C) com a complexidade das características morfológicas, fisiológicas e comportamentais do organismo. Resultado da presença de sequências de DNA repetida 
Cinética de renaturação de um genoma eucariótico: estimativa da fração de um genoma que corresponde a sequências únicas ou repetidas. O DNA extraído é fragmentado, desnaturado e renaturado. A proporção de moléculas renaturadas em relação às desnaturadas é analisada em função do tempo. Quanto maior for a proporção de sequências únicas no genoma, maior será o tempo necessário para renaturação. Sequências repetidas tem maior velocidade no processo de renaturação
Famílias gênicas
São considerados produtos de um ou mais eventos de duplicação de um gene original, seguidos por posterior divergência dos genes duplicados, que são chamados de parálogos. 
Sequência de DNA repetitivo
DNA de sequência simples
Sequência curta (5 a 10 pb) repetida milhares de vezes em tandem. Representa 10 a 15% do DNA de mamíferos.
Fração de reassociação intermediária: sequências moderadamente repetitivas (25 a 40% do DNA). Maior parte derivada de sequências de famílias de elementos transponíveis
Transposons: capazes de mudar de posição no genoma (transposase)
Retrotrasposons: movimento é mediado por um RNA e envolve uma etapa de transcrição reversa de seu RNA.
Genomas Extranucleares
 Codificam funções relacionadas ao metabolismo das próprias organelas. 
Mitocôndrias – mtDNA
Plastídios: família de organelas vegetais
Cloroplastos
Cromoplastos
Amiloplastos ctDNA
Elaioplastos
O mtDNA representa apenas 1 a 2% do DNA celular, em duplo filamento circular, codificando apenas 37 genes. Acredita-se na hipótese endossimbiótica, devido a existência do mtDNA. Não possui diferença na sua composição química, em relação ao DNA nuclear, mas possui um código genético apenas seu. Possui genoma haploide, por ser apenas de origem materna, não havendo recombinação, pois se acredita que as mitocôndrias dos espermatozoides são destruídas pelo gameta feminino (óvulo) após a fecundação. Possui também uma região não codificadora que, aparentemente, controla a replicação e transcrição do mtDNA. Quando comparada com o genoma nuclear, possui uma alta taxa evolutiva (substituições de base). Sendo assim, tem sido muito usado em estudos evolutivos para a investigação de linhagens antigas.
CtDNA: Os cloroplastos, assim como as mitocôndrias, apresentam DNA próprio, RNA e ribossomos que sintetizam uma parte de suas proteínas. A outra parte é sintetizada pelo DNA celular. São maiores e possuem um numero maior de genes do que dos genomas mitocondriais. O espaço interno do cloroplasto é preenchido com o estroma, um fluido semelhante ao encontrado na mitocôndria, que contém enzimas, DNA, RNA e ribossomos. Presença de duas copias invertidas de uma sequencia que dividem o ctDNA em duas regiões, sendo; sequencia de copias curtas (SSC) e a outra sequencia chamada de sequencia de copias única longa (LSC). Genes codificados no interior das repetições invertidas (como genes de rRNA) estão duplicados, enquanto os demais, situados SSC ou na LSC, estão presentes em apenas uma cópia por genoma.
REPLICAÇÃO DO DNA
A replicação é o processo de duplicação de uma molécula de DNA de dupla cadeia (hélice). Os mecanismos de replicação dos procariotos e eucariotos não são idênticos. Como cada cadeia de DNA contém a mesma informação genética, qualquer uma delas podem servir como molde. Por isso a replicação do DNA é dita semi-conservativa.
A replicação deve acontecer antes da divisão celular. Em procariotos a replicação ocorre entre as divisões celulares, enquanto que nos eucariotos ocorre na fase S da interfase (para maiores detalhes, veja ciclo celular).
O DNA é um polímero de nucleotídeos unidos entre si por ligações fosfodiéster. As fitas complementares estão ligadas por ligações de hidrogênio. Nas células, cada cadeia está orientada em sentido contrário ao da outra (anti-paralelismo). Os nucleotídeos são compostos por açúcar (pentose), radicais fosfatos e bases nitrogenadas. As bases nitrogenadas são: Adenina, Guanina, Citosina, Timina.
Os nucleotídeos de uma cadeia da molécula de DNA podem interagir com os da cadeia complementar através de ligações de hidrogênio entre suas bases nitrogenadas, sendo que a adenina se liga por meio de duas ligações de hidrogênio à timina, e a citosina se liga através de três ligações com a guanina.
O DNA não se replica sozinho
Para que o processo de replicação se inicie, é necessária a atuação de uma enzima, a helicase. A enzima liga-se à cadeia de DNA e desliza sobre esta, quebrando as ligações entre as duas cadeias de nucleótidos - ligações de hidrogênio - ficando então as duas cadeias de DNA separadas. Em seguida, os nucleotídeos livres existentes no núcleo ligam-se, por complementaridade de bases, à cadeia de DNA. De uma cadeia original de DNA formam-se duas. A replicação do DNA é o processo de auto-duplicação do material genético, mantendo o padrão de herança ao longo das gerações.
Cada cadeia do DNA é duplicada formando uma fita híbrida, isto é, a cadeia velha pareia com a cadeia nova formando um novo DNA; de uma molécula de DNA formam-se duas outras iguais a ela. Cada DNA recém formado possui uma das cadeias da molécula-mãe, por isso o nome semi-conservativa.
Ao mesmo tempo em que a helicase vai abrindo a molécula de DNA, outra enzima chamada polimerase liga um grupo de nucleotídeos que se pareiam com os nucleotídeos da molécula-mãe.
Além da capacidade de duplicação, o DNA também é responsável pela síntese de outro ácido nucleico muito importante para a célula: o ácido ribonucleico ou RNA. Da mesma forma que o DNA, o RNA também é uma molécula grande, formada por várias partes menores chamadas nucleotídeos. Por isso diz-se que tanto DNA como RNA são polinucleotídeos.
Etapas da polimerização do DNA
Na célula, a replicação do DNA tem início em locais específicos do genoma denominado origens de replicação. Mais especificamente, inicia-se numa zona da cadeia denominada tripleto de iniciação. Neste local as helicases começam a abrir a cadeia para ambos os lados da origem quebrando as ligações de hidrogênio existentes entre as bases complementares e dando origem a uma "bolha de replicação" que é constituída por duas forquilhas de replicação. Em seguida liga-se às cadeias de DNA a enzima RNA primase que sintetiza um primer, que consiste numa sequência de bases de RNA que iniciam a síntese, visto que a DNA polimerase III não tem a capacidade de o fazer pela ausência de grupos hidroxila expostos. Após a síntese do primer, a DNA polimerase III vai continuar o processo que ocorre no sentido da extremidade 5' para a extremidade 3' da nova cadeia. Como a DNA polimerase vai atuar para ambos os lados da origem de replicação, por cada cadeia simples de DNA existente, uma parte da nova cadeia será sintetizada na direção da replicação. Esta cadeia é sintetizada de modo contínuo e denomina-se "cadeia contínua". Existe uma outra parte da cadeia em que a direção da replicação é contrária à direção da síntese, esta cadeia é sintetizada descontinuamente, isto é, a RNA primase vai sintetizar vários primers ao longo da cadeia, inicialmente próximo da origem de replicação e posteriormente a maior distância. Os fragmentos formados são denominados fragmentos de Okazaki. Entre estes fragmentos existem primers que serão removidos e substituídos por DNA, pela ação de uma outra DNA polimerase, a DNA polimerase I. Como a DNA polimerase não consegue estabelecer a ligação entre esses nucleótidos e os que se encontram nas extremidades dos fragmentosde Okazaki, formam-se lacunas entre o grupo fosfato de um e o carbono 3' do outro. Esses nucleótidos são posteriormente ligados pela DNA ligase. A esta cadeia chama-se "cadeia descontínua". As partes finais da cadeia de DNA denominadas telômeros são sintetizadas pela enzima telomerase. A telomerase é uma DNA polimerase com atividade de transcriptase reversa. Apresenta um molde interno de RNA e a partir daí é capaz de sintetizar o DNA das extremidades cromossômicas, evitando a perda progressiva e encurtamento dos telômeros. Durante todo o processo de replicação atuam outras enzimas entre elas as SSB e as topoisomerases que têm como função evitar o enrolamento da cadeia durante a síntese. 
Em procariotos, to termino da replicação é indicado pelo gene tus que impede o movimento das forquilhas. Em eucariontes o término é mediado pelos teloesomeros, sintetizados pela telomerase. Lembrando que nos procariotos há apenas uma origem de replicação oriC, enquanto nos pracariotos existem várias