mod2_aula1 - Organização gênica em procariotos

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Biologia Molecular Básica – Módulo II: Intermediário Organização gênica – Aula 1 
Profª. Christina Gaspar Villela – Extensão de Biologia – Fundação CECIERJ/CEDERJ 1
Biologia Molecular Básica Módulo II – Intermediário 
Aula 1 
Organização gênica em procariotos 
Em termos evolutivos, os procariotos são os mais antigos organismos da 
Terra. A maior parte de seu genoma está contida em uma grande 
molécula de DNA de fita dupla e em forma de círculo, geralmente 
acompanhado de uma ou de duas outras pequenas moléculas, também 
circulares: os plasmídios. Nesta aula estudaremos a organização do 
genoma de procariotos, como o da Escherichia coli, exemplificada na 
figura de abertura. 
Os objetivos desta aula são: 
ƒ Descrever a organização gênica dos procariotos. 
ƒ Definir nucleóide. 
ƒ Citar a função das topoisomerases no superespiralamento. 
ƒ Citar os elementos genéticos móveis. 
ƒ Citar as principais regiões de um plasmídio. 
 
1. Contribuições de Mendel 
 
Os procariotos, conhecidos popularmente como bactérias, são os 
menores organismos e os mais simples estruturalmente. Em termos 
evolutivos, eles são os mais antigos organismos da Terra. Todos os 
procariotos são unicelulares, não possuem núcleo organizado 
nem organelas celulares envoltas por membranas. 
Na natureza, as bactérias vivem em uma enorme variedade de nichos 
ecológicos. As eubactérias (bactérias "verdadeiras") são os tipos 
comuns encontrados na água, no solo; incluem todas as bactérias que 
infectam o homem. Um segundo grupo de procariotos – freqüentemente 
encontrados em ambientes extremos, como pântano, fontes termais, 
fundo de oceanos, salinas, vulcões e fontes ácidas – forma um segundo 
reino: o reino archaebacteria ou Archaea. Morfologicamente, os 
membros desses dois reinos de organismos são similares, especialmente 
pela ausência de um núcleo, sendo, portanto, classificados como 
procariotos. 
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Do ponto de vista evolutivo, a classificação taxonômica da diversidade 
das espécies proposta por Robert Whittaker (Kansas, 1920-1980) em 
1969, em cinco reinos - Animalia (ou Metazoa), Plantae (ou Metazoa), 
Fungi, Protista e Monera - foi substituída pela classificação filogenética 
de Carl Woese (Nova York, 1928): Bacteria, Archaea, e Eucaryota. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Na maioria das espécies bacterianas, a proteção da célula é feita por 
uma camada extremamente resistente, a parede celular, havendo 
imediatamente abaixo uma membrana citoplasmática que delimita 
um único compartimento contendo DNA de fita dupla, RNA, 
proteínas e pequenas moléculas, como os ribossomos. Algumas 
espécies podem apresentar uma terceira camada protetora, esta 
formada por polissacarídeos. Essas cápsulas estão presentes em 
bactérias patogênicas, como na E. coli e na Streptococcus pneumoniae. 
Outras bactérias apresentam também cílios e flagelos. Os plasmídios, 
DNA adicional de forma circular, também estão presentes. Nas bactérias 
que contêm plasmídios, seu genoma será composto pelo DNA 
cromossômico e pelo DNA plasmidial. Estudaremos mais adiante a 
importância desses plasmídios não só para as bactérias – pois conferem 
resistência aos antibióticos – mas também na engenharia genética, em 
que são utilizados como vetores de clonagem. 
Figura 1: Adaptação da árvore filogenética da vida postulada por Carl 
Woese, em 1977. Note que as arqueobactérias são mais próximas dos 
eucariotos. 
Bactéria 
 
ƒ Bactérias Gram + 
ƒ Bactérias Gram – 
ƒ Flavobactérias 
ƒ Bactérias púrpuras 
ƒ Cianobactérias 
ƒ Bactérias verdes 
Archae 
 
ƒ Metanogênicas 
ƒ Termófilas extremas 
ƒ Halófitas extremas 
Eucaryota 
 
ƒ Animais 
ƒ Plantas 
ƒ Fungos 
ƒ Protozoários 
Ancestral universal 
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Que tal traçar uma comparação entre os procariotos e os eucariotos? 
Você pode usar essa diferença como tema de pesquisa em sua sala de 
aula. 
2. Organização gênica em procariotos 
A organização gênica dos procariotos é dinâmica e composta por 
diferentes modalidades de moléculas de DNA: cromossomo, 
plasmídios, transposons e bacteriófagos. O cromossomo bacteriano 
contém todos os genes requeridos para o metabolismo e ciclo vital da 
bactéria. Plasmídios, transposons e bacteriófagos são entidades 
moleculares independentes que ocorrem indistintamente em diferentes 
grupos bacterianos e que funcionam como elementos genéticos móveis. 
2.1. Cromossomo bacteriano 
O cromossoma bacteriano é organizado em uma estrutura compacta, 
conhecida como nucleóide, por interação do DNA com proteínas e RNA. 
Essa observação sugere que o DNA não se encontra somente na 
estrutura de dupla hélice, como se acreditava anteriormente, mas sim 
compactado. De fato, várias proteínas que se ligam ao DNA – e que são 
superficialmente semelhantes àquelas encontradas em eucariotos – 
foram isoladas em E. coli. Dentre elas, uma proteína dimérica chamada 
HU é capaz de condensar DNA. No entanto, estudos realizados com 
mutantes que não possuem a proteína HU indicaram que ela não é 
Figura 2: Estrutura de uma célula procariótica. Estes plasmídios são 
completamente independentes do DNA cromossômico. 
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essencial para a formação do nucleóide. Outra proteína, a H1, também 
se liga ao DNA, interagindo preferencialmente com seqüências que estão 
dobradas. 
Quando observado ao microscópio, o nucleóide pode ser visto como um 
aglomerado compacto que ocupa cerca de um terço do volume da 
célula. Entretanto, quando as células são lisadas, o DNA pode ser 
visualizado como fibras em formato de alças, ligadas ao envelope celular 
rompido. Observe a Figura 3. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
O cromossomo de E. coli está organizado em cerca de 50 a 100 alças; 
cada uma delas é superespiralada independentemente (veja a Figura 4). 
O tratamento do cromossomo com RNases ou proteases não destrói 
o superespiralamento, o que indica que este fenômeno não depende das 
proteínas e do RNA. Entretanto, o tratamento com DNase rompe o 
superespiralamento, pois interfere na tensão na molécula de DNA, 
principal responsável pelo empacotamento do nucleóide em 
procariotos. 
Figura 3: Cromossomo de Escherichia coli rompida. O cromossomo aparece 
como fibras que formam alças múltiplas. 
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O que significa superespiralamento do DNA? Vamos usar o fio do 
telefone como exemplo para facilitar a compreensão. Podemos dizer que 
o fio do telefone é espiralado, pois possui a forma de uma espiral. Você 
já deve ter observado que, às vezes, o fio se enrola sobre ele mesmo, 
ficando mais curto. Pode ser bem trabalhoso colocá-lo novamente na 
forma original. Esse enrolamento é uma superespira, pois o fio do 
telefone já é uma espira, e sobre ela foi formada outra. Assim, o 
superespiralamento significa o espiralamento de uma espiral. 
Por incrível que pareça, a observação de um fio de telefone levou 
Jerome Vinograd (1913–1976) e seus colaboradores, em 1965, a 
compreender que muitas propriedades dos DNAs circularese pequenos 
poderiam ser explicadas pelo superespiralamento. 
 
 
 
 
 
 
Figura 4: Superespiralamento do cromossomo procariótico. 
Figura 5: 
(A) Jerome Vinograd. 
(B) Fio de telefone: um 
exemplo de 
superespiralamento e 
espira. 
A B 
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O superespiralamento ocorre quando o DNA estiver sujeito a alguma 
forma de tensão estrutural. Essa tensão é regulada pela célula com a 
ajuda de um processo enzimático, o que facilita sua compactação pelo 
espiralamento. Na maioria das vezes, a tensão é provocada por um 
subenrolamento da dupla hélice de DNA, ou seja, quando o DNA 
apresenta menos voltas do que o observado na estrutura de Watson e 
Crick. 
Sabe como isso ocorre? 
Vamos voltar ao modelo estrutural do DNA, descrito por Watson e Crick. 
A molécula em dupla hélice apresenta 10,5 pares de bases para cada 
volta, na forma B do DNA. Se o DNA circular fechado obedecer à 
estrutura de forma B, apresentará uma estrutura relaxada, ou seja, 
não estará superespiralado. Um segmento de DNA de 105 pares de 
bases formaria 10 voltas na forma relaxada. Se uma das voltas 
fosse removida, haveria 105 pares de bases em 9 voltas ou cerca de 
11,7 pares de bases por volta, em vez dos 10,5 pares de bases. 
Podemos dizer que houve um desvio na forma e, com isso, a 
molécula ficou mais tensa. Assim, a maioria da tensão pode ser 
aliviada pelo espiralamento do eixo do DNA sobre si mesmo, formando 
uma superespira. A tensão também pode ser acomodada separando as 
duas fitas de DNA em um segmento de cerca de 10 pares de bases, 
equivalente a uma volta. Veja se entendeu analisando a Figura 6. 
A manutenção do subenrolamento e, conseqüentemente, o 
espiralamento só são possíveis se o DNA estiver em um círculo 
fechado (cromossomo bacteriano, cromossomos virais, plasmídios e 
organelas) ou se estiver ligado e estabilizado por proteínas 
(cromossomos lineares de eucariotos), de tal forma que as fitas não 
estejam livres para rodar uma em relação à outra, o que levaria à 
reversão imediata, ao estado relaxado. 
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O número de voltas da hélice não pode ser alterado sem que ocorra pelo 
menos uma quebra transitória em uma das fitas do DNA. Mais adiante 
você verá como isso ocorre. O número de voltas da hélice em uma 
molécula de DNA fornece uma informação precisa do superenrolamento. 
É importante lembrar que a condensação do DNA está presente não 
somente nos procariotos mas em todos os seres vivos. O 
superespiralamento do DNA é um processo precisamente regulado que 
influencia muitos aspectos do metabolismo do DNA. 
Toda célula possui enzimas cuja única função é subenrolar e/ou 
relaxar o DNA. As enzimas que aumentam ou diminuem o grau de 
subenrolamento do DNA são chamadas topoisomerases (são as 
Figura 6: Subenrolamento do DNA. 
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enzimas que catalisam clivagens reversíveis em uma dupla hélice de 
DNA com o objetivo de destorcer ou desenrolar dobramentos ou torções 
excessivas). A topoisomerase é a enzima que leva à formação dos 
topoisômeros. Essas enzimas desempenham um papel importante em 
processos como a replicação e o empacotamento do DNA. No Módulo 
III voltaremos a falar nas topoisomerases. 
2.2. Elementos genéticos móveis 
Elementos genéticos móveis (EGM) são segmentos de DNA que 
codificam enzimas e outras proteínas que medeiam a movimentação do 
DNA dentro de genomas (mobilidade intracelular) ou entre células 
bacterianas (mobilidade intercelular). Os elementos móveis nos 
procariotos são: plasmídios, transposons e bacteriófagos. 
2.2.1. Plasmídios 
A maioria das bactérias transporta moléculas de DNA circulares, 
covalentemente ligadas, independentes do cromossomo bacteriano, 
denominadas plasmídios. Suas dimensões que variam de mil a mais de 
30 mil pares de bases, contra os quatro milhões de pares de bases de 
um cromossomo bacteriano médio; é, portanto, de dez a mil vezes 
menores que o cromossomo bacteriano. Uma bactéria pode transportar 
de um a vários plasmídios diferentes, ou mesmo não transportar 
nenhum. Os plasmídios não causam danos às suas células hospedeiras 
nem apresentam formas extracelulares, como acontece com o DNA de 
origem viral proveniente de bacteriófagos. 
Quando presentes em uma célula bacteriana, podem encontrar-se na 
forma de molécula única, algumas poucas cópias ou múltiplas cópias da 
mesma molécula, dependendo de seu tamanho e dos sistemas de 
controle de sua replicação. Freqüentemente há várias cópias de um 
mesmo plasmídio em uma célula. 
Os plasmídios constituem unidades de replicação autônoma, ou seja, se 
replicam independentemente do cromossomo bacteriano e da divisão da 
bactéria. Por isso, e por não transportarem genes característicos do 
cromossomo bacteriano nem essenciais à sobrevivência da bactéria, os 
plasmídios são, do ponto de vista genético, considerados elementos 
genéticos acessórios; a herança de seus genes é denominada herança 
extracromossômica. 
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As bactérias não constroem seus próprios plasmídios; elas os adquirem 
através do fenômeno da conjugação bacteriana, no qual uma 
bactéria transportando um plasmídio o transfere para outra 
bactéria, mantendo para si uma cópia dele. Portanto, do ponto de vista 
evolutivo, os plasmídios constituem um reservatório extra de genes, 
ampliando o reservatório gênico das populações bacterianas. 
Os plasmídios podem ser usados como veículos para a clonagem 
molecular, pois contêm os elementos necessários para sua replicação e 
pelo menos um gene que confere resistência a antibióticos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2.2.2. Transposons 
Os transposons em bactérias foram os primeiros a ser descritos 
molecularmente. São divididos em três tipos principais: as Seqüências 
de Inserção (IS); os transposons compostos e os elementos TnA. 
Os elementos IS (do inglês Insertion Sequence) são os tipos mais 
simples de transposons. Eles receberam esse nome por serem capazes 
de se inserir em muitos locais diferentes no cromossomo e plasmídios 
da E. coli. 
Figura 7: Plasmídio de clonagem molecular. Origem de replicação (O) = 
seqüência de DNA que permite a replicação na célula hospedeira; Sítio 
múltiplo de clonagem (MSC) = local onde o inserto é incorporado ao 
vetor de clonagem; gene que confere resistência à ampicilina (AmpR) = 
gene que codifica um produto que distingue a célula com plasmídio da 
célula sem plasmídio. 
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 Você deve estar se perguntando: de que maneira pode-se saber 
que houve inserção de um segmento de DNA do tipo transposon? A 
melhor forma de descobrir uma alteração genética é através da 
utilização de mutantes. 
Mutantes são indivíduos que sofreram alguma alteração em seu material 
genético. Como as bactérias são organismos que apresentam genoma 
pequeno, a maioria das alterações genéticas resulta em alterações 
fenotípicas, pois existe grande possibilidade de a mutação atingiruma 
região ativa do genoma. Assim, quando ocorre uma alteração fenotípica 
– por exemplo, perda de uma atividade enzimática –, é possível 
descobrir o gene que sofreu a alteração e, muitas vezes, onde ocorreu e 
qual o tipo de mutação. 
Prezado cursista, não é nossa intenção esgotar este assunto; mas, dada 
a importância do tema na compreensão dos mecanismos de resistência 
aos antibióticos, analise as figuras a seguir e acompanhe a explicação. 
Os elementos IS são formados por cerca de 2.500 pares de 
nucleotídeos e contêm somente genes cujos produtos estão envolvidos 
no próprio mecanismo de transposição. Cada elemento é representado 
por IS acompanhado de um número (por exemplo: IS1, IS50, IS509). 
Os elementos IS apresentam uma pequena região idêntica ou quase 
idêntica nas suas extremidades. Essas regiões estão sempre dispostas 
em orientação invertida e por isso são chamadas repetições terminais 
invertidas. O tamanho dessas regiões varia de 9 a 40 nucleotídeos. Os 
elementos IS codificam para uma enzima chamada transponsase que 
é necessária à transposição. Essa proteína se liga às extremidades do 
transposon e corta as duas fitas. O corte do DNA, nesses locais, 
retira o elemento do cromossomo ou plasmídio, tornando-o livre 
para ser inserido em outra posição, na mesma ou em outra 
molécula de DNA. Quando um elemento IS é inserido em cromossomos 
ou em plasmídios, uma duplicação de parte da seqüência do DNA é 
criada no local de inserção. Uma cópia da duplicação está localizada em 
cada extremidade do elemento. 
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Os transposons compostos são representados pelo símbolo Tn 
seguido por um número. Esses transposons são formados quando 
dois elementos IS se inserem próximos um do outro. A região entre eles 
também é transposta pela ação conjunta das regiões localizadas nas 
extremidades de cada um dos elementos. A orientação dos elementos IS 
pode variar nos diferentes transposons compostos: o Tn9 é formado por 
dois elementos IS1 dispostos na mesma orientação. Entre os dois 
elementos IS1, está o gene camR, que confere resistência ao 
antibiótico cloranfenicol; o Tn5 é formado por dois elementos IS50 
dispostos em orientação invertida. Entre os dois elementos, estão os 
genes kanR, bleR e strR, que conferem resistência aos antibióticos 
canamicina, bleomicina e estreptomicina, respectivamente; o Tn10 
é formado por dois elementos IS10 dispostos em orientação oposta. 
Entre os dois elementos, está o gene tetR, que confere resistência ao 
antibiótico tetraciclina. 
As bactérias apresentam a capacidade de transferir DNA plasmidial de 
uma célula para outra. Assim, se um transposon composto, carregando 
os genes de resistência a antibióticos, ocorrer em um plasmídio que será 
transferido, a resistência ao antibiótico será transferida para a outra 
célula. 
Finalmente, os transposons TnA não possuem elementos IS nas suas 
extremidades. Em vez disso, apresentam repetições invertidas simples 
de 38 a 40 pares de nucleotídeos. Os elementos TnA também 
produzem duplicação no sítio alvo quando são inseridos no DNA. 
Figura 8: Duplicação do sítio-alvo pelo elemento de inserção IS. 
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2.2.3. Bacteriófago 
Ao infectar uma célula bacteriana, um bacteriófago pode integrar-se ao 
cromossomo bacteriano e comportar-se como parte integrante deste 
sem destruir a célula hospedeira. Vários bacteriófagos transportam 
genes que codificam fatores de virulência, tais como a toxina 
escarlatínica em Streptococcus pyogenes, a toxina diftérica em 
Corynebacterium diphtheriae, a toxina botulínica de Clostridium 
botulinum, enterotoxinas de Staphylococcus aureus e citotoxinas de E. 
coli. Bactérias não-patogênicas podem ser convertidas em patogênicas 
após infecção com bacteriófagos específicos em um processo 
denominado conversão fágica. 
3. Estrutura dos genes de procariotos 
O cromossomo de E. coli consiste de uma única molécula de DNA 
circular de cerca 5 x 106 pares de nucleotídios. Essa bactéria regula a 
expressão de muitos de seus genes de acordo com os recursos 
alimentares disponíveis no ambiente. As bactérias possuem um 
mecanismo geral simples para coordenar a regulação desses genes: eles 
são agregados ao cromossomo e transcritos juntos. Muitos mRNAs 
procarióticos são policistrônicos (genes múltiplos em um único 
transcrito), e o único promotor que inicia a transcrição do 
agregado é o sítio de regulação para a expressão de todos os 
genes no agregado. O agregado de genes, o promotor e as seqüências 
adicionais que funcionam juntos na regulação são chamados operon. 
 
 
 
 
Para cada situação determinada, a bactéria precisa lançar mão de uma 
bateria de enzimas e proteínas que não estavam disponíveis momentos 
antes – e que provavelmente não serão mais necessárias minutos 
depois. Como o organismo consegue ligar e desligar genes que 
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comandarão a síntese de mRNAs, que darão origem e fim às proteínas 
necessárias? Esse processo é chamado controle da expressão gênica. 
4. Resumo 
Nesta aula, você teve a oportunidade de entrar no mundo das bactérias, 
estudando desde sua origem evolucionária até seu genoma. Aprendeu 
que elas não possuem núcleo organizado nem organelas celulares 
envoltas por membranas e que seu cromossoma é organizado em 
nucleóide. Viu que o superespiralamento é um mecanismo essencial 
para empacotar os ácidos nucléicos e o papel fundamental 
desempenhado pela enzima topoisomerase nesse fenômeno. Conheceu 
os elementos genéticos móveis – plasmídios, transposons, 
bacteriófagos. E, por último, viu a estrutura dos genes procarióticos, 
com destaque aos operons. No Módulo III você estudará o controle da 
expressão gênica.