Fundamentos do DNA e RNA I e II 26-09-14 parte 1

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Universidade Federal de Pernambuco 
Centro de Ciências Biológicas 
Departamento de Bioquímica 
Aula Teórica: 
Fundamentos do DNA e RNA I 
Disciplina: Biologia Molecular 
Curso: Ciências Farmacêuticas 
 
Profa. Dra. Maira Galdino da Rocha Pitta 
Plano de aula 
 Duplicação do DNA 
 
 Do DNA ao RNA 
 
 Do RNA à proteína 
Plano de aula 
 Duplicação do DNA 
 
 Do DNA ao RNA 
 
 Do RNA à proteína 
Revisando... 
Revisando... 
Revisando... 
Revisando... 
Revisando... 
Revisando... 
Revisando... 
 Duplicação do DNA 
 
Do DNA ao RNA 
 
 Do RNA à proteína 
Plano de aula 
DNA 
O Ácido Desoxirribonucléico é um 
polinucleotídeo formado por duas 
“fitas” ou hélices ligadas entre si 
por pontes de hidrogênio entre as 
bases nitrogenadas. 
O pareamento das bases sempre 
segue a mesma ordem: Adenina 
com Timina e Guanina com 
Citosina. 
Este modelo da “dupla hélice 
enrolada” foi estabelecido em 1953 
por James Watson e Francis Crick. 
Princípios básicos de biologia molecular 
A estabilidade da dupla fita: as pontes de hidrogênio 
P 
P 
P 
P 
P 
P 
P 
P 
P 
P 
P 
P 
P 
P 
P P 
- 
- 
- 
- 
- 
- 
- 
- 
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- 
- 
- 
- 
- 
- 
- 
Código genético 
DNA: 
1. Molécula dupla 
2. Helicoidal 
3. Pode duplicar 
4. Local onde temos as informações genéticas 
Suas bases nitrogenadas são: 
ADENINA 
GUANINA 
TIMINA SE LIGA A: 
SE LIGA A: CITOSINA 
Observe a complementação de bases do DNA 
ADENINA 
TIMINA 
Se liga a Timina por 
duas pontes de 
hidrogênio. 
A = T 
GUANINA 
CITOSINA 
Se liga a citosina por 
três pontes de 
hidrogênio. 
G C 
Observe a complementação de uma fita de DNA 
T T T T T T G G C C C C A A A 
Sempre com a adenina se ligando a timina através de duas 
pontes de hidrogênio e a guanina se ligando a citosina por 
três pontes de hidrogênio. 
A A A A A A G G G G C C T T T 
 
Cromossomos 
• Contêm os genes que 
por sua vez são 
formados por DNA 
 
• É responsável: 
– Comando e coordenação de 
toda a atividade celular 
– Divisões celulares 
– Transmissões das 
características hereditárias. 
 
 
A Replicação do DNA 
 
A Replicação do DNA 
A Replicação do DNA 
• O DNA é capaz de se autoduplicar para 
conservar a informação genética. 
• Por ação de uma enzima chamada DNA-
polimerase novos nucleotídeos são 
acrescidos, sempre seguindo a ordem A-T e 
G-C. 
• Ao final se tem duas “moléculas-filhas” que 
conservam a metade da “molécula-mãe”. 
• A duplicação é, portanto, 
semiconservativa. 
• Por convenção, a extremidade que tem o 
fosfato é chamada 5’ e a que tem o açucar 
é chamada 3’. 
• O sentido de leitura e síntese é sempre 5’ 
 3’. 
REGRAS DA REPLICAÇÃO 
1. A replicação é um processo semi-conservativo 
 
2. A replicação tem início em uma origem e depois 
procede biderecionalmente 
3. A síntese de DNA é feita na direção 5´ 3´ 
PRINCIPAIS ENZIMAS ENVOLVIDAS 
(SISTEMA DE REPLICAÇÃO DO DNA) 
1. DNA Polimerases 
2. Endonucleases 
3. Helicases 
4. Topoisomerases 
5. Telomerases 
DNA Polimerases 
• principais enzimas envolvidas no processo; responsáveis 
pela adição de nucleotídeos e reparo 
• Requerem um primer (segmento de RNA sintetizado pela 
primase) complementares para início – alongamento 
• 3 tipos principais : I, II, III 
NUCLEASES 
- Degradam o DNA, clivando-o em pedaços 
menores 
1. EXONUCLEASES: clivam o DNA a partir do 
final da molécula 
2. ENDONUCLEASES: clivam em qualquer 
local da molécula 
OUTRAS ENZIMAS 
• HELICASES: separação da dupla fita 
• DNA-binding proteins (SSB): mantém as fitas separadas 
estabilizadas 
• LIGASES: conectam fragmentos de fitas menores 
• TOPOISOMERASE: uma quebra temporária em ambas as 
fitas (TOPO 2) ou numa única fita (TOPO 1) da hélice dupla 
do DNA 
• TELOMERASES: tem como função adicionar sequências 
específicas e repetitivas de DNA à extremidade 3' dos 
cromossomos, onde se encontra o telômero 
 
ESTÁGIOS DA REPLICAÇÃO 
1. INICIAÇÃO 
2. ALONGAMENTO 
3. TERMINAÇÃO 
1. INICIAÇÃO 
ORIGEM DA REPLICAÇÃO – OriC : são regiões específicas na sequência 
nucleotídica de moléculas de DNA, nas quais determinadas proteínas se 
ligam para abrir a dupla hélice deste ácido nucléico, permitindo o início da 
biossíntese (replicação) de novas moléculas de DNA 
 - 245 pb 
 - 3 repetições de 13 pb 
 - 4 repetições de 9 pb 
2. ALONGAMENTO 
Envolve duas operações distintas, mas relacionadas: 
1. Síntese da fita líder 
2. Síntese da fita tardia 
 
Início comum na forquilha de replicação envolvendo: 
- Helicases: separação da dupla fita 
- Topoisomerase: quebra temporária das fitas (topo 1 e 2) 
- DNA binding proteins: mantém as fitas separadas 
estabilizadas 
SÍNTESE DA FITA LÍDER 
1. Síntese de um RNA primer pela primase na origem de replicação 
2. Desoxirribunocleotídeos são adicionados pela DNA polimerase 
continuamente a partir da forquilha de replicação 
SÍNTESE DA FITA TARDIA 
1. Síntese de um RNA primer pela primase 
(DnaG) na origem de replicação 
2. Síntese dos fragmentos de Okasaki 
3. Uma só polimerase: são criadas alças para 
aproximar os dois pontos de replicação 
(das duas fitas) 
4. Processo repetido diversas vezes 
 
3. TERMINAÇÃO 
-Eucariotos: seqüências de nucleotídeos 
específicas no final dos cromossomos, 
incorporadas a telômeros. 
 Duplicação do DNA 
 
 Do DNA ao RNA 
 
 Do RNA à proteína 
Plano de aula 
O Fluxo da informação genética do DNA ao RNA 
(transcrição) e do RNA à proteína (tradução) 
Os genes podem ser expressos sob diferentes taxas 
 Cada gene pode ser transcrito e traduzido com eficiências diferentes, permitindo 
que a célula faça enormes quantidades de certas proteínas e mínimas quantidades 
de outras 
 Uma célula pode alterar (ou regular) a expressão de cada um de seus genes de 
acordo com a necessidade do momento 
Estrutura química do RNA 
 A transcrição produz o RNA 
complementar de uma das fitas de DNA 
A uracila forma par de base com a adenina no RNA 
Apesar destas pequenas diferenças químicas, o 
DNA e o RNA diferem drasticamente nas suas 
estruturas como um todo... 
 DNA = sempre ocorre nas células como uma hélice de fita dupla 
 RNA = fita simples, podendo se dobrar de diversas formas 
Transcrição 
1) Abertura e a desespiralização de uma pequena porção da dupla hélice do 
DNA 
2) A fita de DNA serve como um molde para a síntese de uma molécula de RNA 
3) Pareamento de bases na cadeia de DNA 
4) Quando um bom pareamento é feito, o ribonucleotídeo a ser incorporado à 
cadeia de DNA em formação é ligado covalentemente a cadeia de RNA em 
formação 
5) Inicia-se a transcrição do DNA 
Diferenças na duplicação de DNA e na transcrição 
1) A fita de RNA não permanece ligada por pontes de hidrogênio 
com a fita de DNA-molde 
 
2) As enzimas que realizam a transcrição são denominadas de RNA 
polimerase 
 
 - Catalisam a formação de pontes fosfodiéster que ligam os 
nucleotídeos entre si por formação de uma cadeia linear 
 
 - Desespiraliza a dupla hélice do DNA, a fim de expor uma 
nova região da fita molde para o pareamento de bases 
Diferenças na duplicação de DNA e na transcrição 
3) A cadeia em formação é estendida na direção 5´ => 3´ e os 
substratos são ATP, CTP, GTP e UTP (em vez de TTP) 
 
4) A síntese de moléculas de RNA adicionais pode ser iniciadaantes 
que a do primeiro RNA tenha terminado 
 
5) A RNA polimerase cataliza a adição de ribonucleotídeos e não de 
desoxirribonucleotídeos 
As células produzem vários tipos de RNAs 
 RNA mensageiro (mRNAs) = as moléculas de RNA que são 
copiadas a partir dos genes e que definem a síntese de proteínas 
 
 Alguns genes produzem RNA como produtos finais, tais RNAs 
servem como componentes estruturais e enzimáticos para uma 
ampla gama de processos na célula: 
 
 RNA nuclear (snRNA) = direciona o splicing (excisão dos íntrons) 
do pré-RNAm para formar o RNAm. 
 
 RNA ribossomal (rRNAs) = formam o cerne dos ribossomos 
 
 RNA transportador (tRNAs) = formam os adaptadores que 
selecionam aa e os colocam no local adequado nos ribossomos 
para serem incorporados as proteínas 
O DNA é transcrito pela enzima RNA polimerase 
A RNA polimerase (azul claro) move-se paulatinamente ao longo do DNA, desespiralizando, 
em seu sítio ativo, a hélice do DNA. Conforme avança, à polimerase adiciona nucleotídeos, um 
a um, à cadeia de RNA, no sítio de polimerização, usando uma fita de DNA exposta como 
molde. 
Transcrição de dois genes: microscopia eletrônica 
A direção do movimento 
da RNA polimerase 
determina qual das duas 
fitas do DNA será 
utilizada como molde 
para a síntese de RNA 
Os sinais codificadores no DNA indicam à RNA 
polimerase onde iniciar e onde terminar 
 A iniciação da transcrição é um passo extremamente importante na 
expressão de um gene, porque este é o ponto principal pelo qual a 
célula regula quais as proteínas que devem ser produzidas, e em qual 
freqüência. 
 
 Uma região da dupla hélice do DNA, denominada de PROMOTOR, 
indica o ponto inicial para a síntese de RNA. 
 
 A extensão continua até que a enzima encontre um segundo sinal no 
DNA, o TERMINADOR 
Curiosidades... 
Promotor: 
 Região conservada entre as espécies 
 Existe seqüências de bases conservadas entre as espécies 
O ciclo de transcrição da RNA polimerase 
bacteriana 
1) Posicionamento do fator sigma e 
da RNA polimerase no DNA 
2) A polimerase desespiraliza o DNA 
na posição em que a transcrição 
está para começar 
3) Início da transcrição do RNA. Esta 
síntese inicial de RNA é 
relativamente ineficiente. 
Entretanto, uma vez que a RNA 
polimerase tenha conseguido 
sintetizar ~10 nucleotídeos de 
RNA, o fator sigma relaxa a sua 
pressão 
4) Desprendimento do fator sigma 
5) A polimerase agora troca para o 
modo de extensão e síntese de 
RNA: extensão altamente 
eficiente 
6) e 7) Encontro de um sinal de 
terminação e liberação do RNA 
 
 
O ciclo de transcrição da RNA polimerase 
bacteriana 
 Há participação de uma única RNA polimerase e esta está ligada a um 
fator sigma 
 
Uma comparação de vários promotores bacterianos diferentes revela 
que eles apresentam heterogeneidade na seqüência de DNA. No 
entanto, todos contêm seqüências relacionadas, refletindo, em parte, 
aspectos do DNA que são reconhecidos pelo fator sigma. 
 
 Estas características comuns são freqüentemente resumidas sob a 
forma de uma seqüência consenso 
Estrutura de uma RNA polimerase bacteriana 
A iniciação da transcrição nos eucariotos necessita 
de várias proteínas 
 Em contraste com as bactérias, as quais contêm um único tipo de 
RNA polimerase, os núcleos eucarióticos têm três, denominadas de 
polimerase I, II e III. São similares estruturalmente umas das outras, mas 
transcrevem diferentes tipos de genes. 
 
 
As três RNA polimerases em eucarióticos 
Diferenças da RNA polimerase bacteriana das 
eucarióticas 
 Enquanto a RNA polimerase bacteriana (com o fator sigma 
em uma de suas subunidades) é capaz de iniciar a transcrição 
no DNA molde in vitro sem a ajuda de proteínas adicionais, as 
RNAs polimerases eucarióticas não são. Estas necessitam da 
ajuda de uma ampla gama de proteínas denominadas de 
FATORES GERAIS DE TRANSCRIÇÃO, as quais devem associar-se 
no promotor com a polimerase, antes que possa iniciar a 
transcrição 
 
Diferenças da RNA polimerase bacteriana das 
eucarióticas 
 
 A iniciação da transcrição 
eucariótica precisa lidar com o 
DNA empacotado em 
nucleossomos e sob outras 
formas de estruturação de 
cromatina, características 
ausentes nos cromossomos 
bacterianos 
A RNA polimerase II necessita 
de fatores gerais de 
transcrição 
Quais são estes fatores gerais 
de transcrição ??? 
A figura demonstra como os 
fatores gerais de transcrição se 
associam in vitro aos promotores 
utilizados pela RNA polimerase II 
 
 
TFII = Fatores de transcrição para a 
polimerase II 
A RNA polimerase II necessita de fatores gerais 
de transcrição 
1) Ligação do TFIID ao TATAbox (região do DNA 
composta essencialmente de nucleotídios TA 
na região promotora do gene). Está região está 
localizada a 25 nucleotídeos do sítio no qual a 
transcrição será iniciada. OBS: Esta não é a 
única seqüência de DNA que sinaliza o início da 
transcrição. 
 
 
 
 
 
2) 
Sequências consenso encontradas na vizinhança dos 
pontos iniciais da RNA polimerase eucariótica: 
2) A subunidade de TFIID que a 
reconhece é denominada de 
TBP 
3) Ligação ao complexo dos 
fatores: TFIIA e TFIIB 
A RNA polimerase II necessita de fatores gerais 
de transcrição 
4) Os demais fatores gerais de transcrição, assim 
como a própria RNA polimerase, ligam-se no 
promotor 
5) O TFIIH usa ATP para separar a dupla hélice de 
DNA, no ponto inicial de transcrição, 
permitindo que a transcrição se inicie. 
 A utilização desta molécula de ATP, fosforila o 
complexo. 
Estrutura tridimensional de TBP (proteína de 
ligação ao TATA) ligada ao DNA 
A polimerase II também necessita de proteínas 
modificadoras de cromatina do DNA, devido ao fato das 
células eucarióticas estarem empacotadas em 
nucleossomos, os quais são posteriormente organizados 
em estruturas de cromatina de ordem superior em 
magnitude 
Proteínas modificadoras de cromatina: 
- complexos remodeladores de cromatina 
dependentes de ATP 
- acetilases de histonas 
Iniciação da transcrição pela RNA polimerase II 
em uma célula eucariótica 
Proteínas modificadoras de 
cromatina: 
- complexos remodeladores de 
cromatina dependentes de ATP 
- acetilases de histonas 
A extensão da transcrição produz tensões de 
super-hélice no DNA 
DNA topoisomerase: quebra 
temporária das fitas 
HELICASES: separação da dupla fita 
A extensão da transcrição em eucarióticos está 
fortemente associada ao processamento do RNA 
 Modificação covalente de 
ambas as extremidades do 
RNA 
 
 Remoção de seqüências 
introns que são descartadas 
do meio do transcrito de RNA 
pelo processo de splicing do 
RNA 
 As extremidades 5’ e 3’ de um mRNA 
bacteriano são as extremidades não-
modificadas da cadeia sintetizada pela RNA 
polimerase, a qual inicia e termina a transcrição 
naqueles pontos, respectivamente. 
 
 As extremidades correspondentes de um 
mRNA eucariótico são formadas pela adição de 
uma capa na extremidade 5´ e pela adição de 
uma cauda poli-A na extremidade 3’. 
 
 
 
Comparação das estruturas de moléculas de 
mRNA procariótica e eucariótica 
Comparação das estruturas de moléculas de 
mRNA procariótica e eucariótica 
OBS: Os mRNAs bacterianos podem conter 
as instruções para várias proteínas 
diferentes, enquanto que os mRNAs 
eucarióticos contém sempre a informação 
para uma única proteína. 
Estruturas de moléculas de mRNA 
eucariótica 
 Estrutura da capa na extremidade 5’ de 
moléculas de mRNA eucarióticos. 
Qual a função destas extremidades especiais 
nos mRNA dos eucarióticos? 
Qual a função destas extremidades especiaisnos mRNA dos eucarióticos? 
 Permitir que a célula verifique se ambas as extremidades de uma molécula de 
RNAm estão presentes (e, conseqüentemente se a mesma está intacta), antes de 
exportar a seqüencia de RNA do núcleo para ser traduzida em proteínas. 
 A polimerase não somente transcreve DNA 
em RNA, mas também transporta proteínas 
processadoras do pré-mRNA em sua cauda, os 
quais serão transferidas para o mRNA em 
formação, no momento adequado 
 
=> que é justamente os fatores que servirão 
para a formação da capa da extremidade 5’, 
para formação da cauda poli-A e para a 
clivagem dos introns do transcrito pré-mRNA 
Cauda da RNA polimerase 
O capeamento do RNA é a primeira 
modificação do pré-RNAm eucariótico 
A reação de capeamento é realizada 
por três enzimas agindo em sucessão: 
 
 Fosfatase = remove um fosfato da 
extremidade 5’ do RNA que está sendo 
formado 
 
 Guaniltransferase = adiciona um 
GMP em uma ligação reversa (3’ para 
5’ em vez de 5’ para 3’) 
 
 Metiltransferase = adiciona um 
grupo metil à guanosina 
Fosfatase 
Guaniltransferase 
Metiltransferase 
Metiltransferase 
O splicing (processamento) do RNA remove 
as seqüências de íntrons de pré-mRNAs 
recentemente transcritos 
Estrutura de dois genes mostrando a organização de éxons e de íntros 
 
A= O gene relativamente pequeno da β-globina, que codifica uma das 
subunidades da proteína transportadora de oxigênio hemoglobina, contém três 
éxons 
B= O gene do Fator VIII, que é bem maior, contém 26 éxons; este gene codifica 
uma proteína (Fator VIII) que opera na via de coagulação do sangue. As mutações 
neste gene são responsáveis pela forma mais prevalente de hemofilia 
Curiosidades... 
IL6 ~ 4,8Kbp 
O splicing (processamento) do RNA remove 
as seqüências de íntrons de pré-mRNAs 
recentemente transcritos 
 Cada evento de splicing remove um 
íntron, por meio de duas reações 
seqüenciais de transferência de fosforil, 
conhecidas como transesterificações, as 
quais reúnem dois éxons, enquanto 
removem o íntron na forma de uma alça 
Ponto de forquilha 
O splicing (processamento) do RNA remove 
as seqüências de íntrons de pré-mRNAs 
recentemente transcritos 
1. Um nucleotídeo adenina específico na 
seqüencia íntron (indicado em rosa) ataca a 
região 5’ de splicing e corta a estrutura de 
açúcar-fosfato do RNA neste ponto. 
2. A extremidade 5’ cortada do íntron torna-se 
covalentemente ligada ao nucleotídeo de 
adenina, criando assim uma alça na molécula 
de RNA 
3. A extremidade 3’-OH livre liberada da 
seqüência do éxon reage com o início da 
seqüência do éxon seguinte, unindo os dois 
éxons e liberando a seqüência do intron na 
forma de laço, ou de uma alça. 
4. As seqüência dos dois éxons se unem, 
formando uma seqüência codificante contínua; 
a seqüência do íntron liberado será degradada 
O splicing alternativo 
Splicing alternativo do gene da α-tropomiosina 
(proteína que se liga a actina durante o processo de 
contração) de rato 
Explica a dificuldade de se 
determinar os íntros e os 
éxons pelos pesquisadores 
Curiosidades... 
As seqüências de nucleotídeos sinalizam 
onde ocorre o splicing 
 A remoção de seqüências de íntros envolve três posições no RNA: 
 1. A região de splicing 5’ 
 2. A região de splicing 3’ 
 3. O ponto da forquilha no íntron que forma a base do fragmento a ser exisado 
 
=> No splicing do pré-mRNA, cada um destes três sítios tem uma seqüência nucleotídica 
consenso, que é similar entre os íntrons, indicando para a célula onde deve ocorrer o 
splicing. 
O splicing é realizado pelo spliceossomo 
 O splicing do RNA é realizado majoritariamente por moléculas de RNA ao 
invés de proteínas 
 
 Existem 5 moléculas: U1, U2, U4, U5 e U6 e são conhecidas como snRNAs 
(small nuclear RNAs) cada um é complexado com pelo menos sete 
subunidades proteícas para formar snRNPs (small nuclear reibonucleoprotein) 
 
 O snRNPs formam o cerne do spliceossomo : grande complexo de moléculas 
de RNA e proteínas que realiza o splicing do pré-RNAm da célula