Aula 2 Estrutura do DNA e RNA

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Os ácidos nucleicos:
DNA e RNA
Professora Vanessa Kava-Cordeiro
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Estrutura do DNA
4
Estrutura do DNA
 Erwin Chargaff e cols. (1950)
 Rosalind Franklin e Maurice Wilkins
(1952,3)
 James Watson e Francis Crick
(1953)
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Erwin Chargaff estabeleceu proporções entre as
bases nitrogenadas
6
2
Conclusões de Chargaff
 A quantidade de nucleotídeos pirimidínicos
(T+C) é sempre igual a quantidade total de
nucleotídeos purínicos (A+G)
 A quantidade de T = A; C = G
 A quantidade de A+T é diferente de G + C
 A relação A + T / G + C é espécie específica
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1905 - 2002
Descobertas que ajudaram na elucidação
da estrutura do DNA
 1953 – Rosalind Franklin e
Maurice Hugh Frederick Wilkins
8
1920 - 1958
1916 - 2004
Padrão de difração de raios X
obtida do DNA
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As bases e as medidas sugeridas por
Rosalind
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Rosalind Franklin e Maurice Wilkins
 Resultados com difração de raio X
O DNA é longo e fino
Tem partes semelhantes e paralelas,
correndo ao longo da molécula
É helicoidal
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1953 – James Watson e Francis Crick
 propuseram a “dupla
hélice” baseando-se
nos dados de
Rosalind e Wilkins e
nas relações de
Chargaff
12
1916 - 2004
1928 -
3
Prêmio Nobel de Medicina
1962
13
Ácidos nucleicos
 Macromoléculas compostas de
subunidades repetidas chamadas
nucleotídeos.
 Cada nucleotídeo é composto por:
1. Um grupo fosfato
2. Um açúcar com 5 carbonos (pentose)
3. Um composto nitrogenado cíclico (base)
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ESTRUTURA DOS
ÁCIDOS NUCLEICOS
Todos os nucleotídeos apresentam uma
estrutura em comum:
radical fosfato
pentose
Estruturas do DNA e RNA
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PURINAS
PIRIMIDINAS
DNA
 Duas fitas de polinucleotídeos associadas
formando uma estrutura de dupla hélice onde as
pentoses e os radicais fosfato compõe a fita e as
bases projetam-se para o interior da mesma
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Especificidade no pareamento:
Adenina (A) pareia
com Timina (T)
através de 2 pontes
de hidrogênio
Guanina (G) pareia
com Citosina (C)
através de 3 pontes
de hidrogênio
4
As fitas do DNA
estão dispostas
em direções
opostas
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Antiparalelismo Complementariedade:
quando uma fita é conhecida, a outra
também é!
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Estrutura do DNA
Ciclo de 3,4 nm
0,34 nm entre “degraus”
Raio de 1 nm
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A dupla hélice apresenta dois
tipos de sulcos aos quais se
ligam as proteínas da cromatina
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Sulco menor
Sulco maior
A Dupla Hélice
PONTOS IMPORTANTES
 O DNA geralmente existe como dupla hélice, com
os dois filamentos mantidos por pontes de
hidrogênio entre bases complementares (G=C e
A=T)
 A complementariedade garante a estocagem e
transmissão da informação genética
 Os dois filamentos de DNA tem polaridade química
oposta
 O RNA geralmente existe como uma molécula
unifilamentar com uracila no lugar de timina
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Questões
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1. Se o conteúdo GC de uma molécula de DNA é 56%,
qual a porcentagem de cada uma das bases nesta
molécula?
2. Qual é a propriedade da molécula de DNA que permite a
resolução dessa questão?
3. Qual seria a resposta se a pergunta tratasse de uma
molécula de RNA?
5
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Estruturas
Cromossômicas e
Genomas
Profa. Vanessa Kava-Cordeiro
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O comprimento do ácido nucleico é muito maior
do que o do compartimento que o contém!
Empacotamento do DNA
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Empacotamento do DNA
 DNA de humanos ~ 40 km de fio em uma bola
de tênis
 Complexo desafio de empacotar o DNA
 Proteínas especializadas que se ligam ao DNA
e o dobram
 Elevado nível de organização, evitando que o
DNA se torne um emaranhado
 DNA deve estar pronto para ser replicado,
reparado e os genes disponíveis para produzir
proteínas (expressão gênica)
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Estruturas
cromossômicas e
genoma em vírus
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Estruturas cromossômicas em
vírus
 Muitos vírus tem apenas um cromossomo
(DNA, RNA, fita dupla ou fita simples)
 Menores vírus (RNA) – apenas 3 genes!
 Maiores vírus (DNA – cerca de 150 genes
como o fago T2 “Experimento de Hershey-
Chase”)
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O genoma viral está empacotado
dentro do capsideo
6
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Bacteriófago T2 envolto pela
sua molécula de DNA.
Foi liberado pela lise do
bacteriófago que está
disperso em água.
O tamanho do DNA é aprox.
3500 vezes maior que a
partícula
do bacteriófago.
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•1640 vírus tiveram seu genoma completamente sequenciado!
(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/sites/entrez?db=genome&cmd=search&term=viru
s%20genome acesso em16/03/2009)
(42 viróides: 246 a 399 nucleotídeos)
33
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/sites/entrez?Db=genome&Cmd=ShowDetailView&TermToSearch=24016
Genome > Viruses > Allium virus X, complete genome Links
Lineage: Viruses; ssRNA viruses; ssRNA positive-strand viruses, no DNA stage;
Flexiviridae; Potexvirus; unclassified Potexvirus; Allium virus X
Genome
Info: Features:
BLAST
homologs: Links: Review Info:
Refseq:
NC_012211 Genes: 5 COG Genome Project
Publications:
None
GenBank:
FJ670570
Protein
coding: 5 TaxMap Refseq FTP
Refseq Status:
PROVISIONAL
Length:
7,127 nt
Structural
RNAs:
None
TaxPlot GenBank FTP Seq.Status:Completed
GC Content:
50%
Pseudo
genes:
None
GenePlot BLAST Sequencingcenter: None
% Coding:
97%
Others:
None gMap TraceAssembly
Completed:
2009/03/12
Topology:
linear
Contigs:
None CDD Organism Group
Molecule:
RNA
Other genomes
for species: 34
Estrutura cromossômica
e genoma de
procariontes
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Estruturas cromossômicas em
procariontes
 Procariontes são
MONOPLÓIDES (tem apenas um
conjunto de genes)
 A maioria dos procariontes
estoca seu conjunto único de
genes em um só cromossomo
circular
 O DNA acumula-se no nucleóide
Fonte: Genes VIII p. 549 36
Cromossomo bacteriano
-Varia em tamanho:
~ 750 kb em Mycoplasma
~ 5.000 kb em Escherichia coli
~ 10.000 kb em Streptomyces
(~1.000 a 10.000 genes)
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Quando ocorre a
lise
bacteriana, as
fibras de
DNA são
libertadas sob a
forma de loops,
agarrados à
membrana da
célula.
Tortora, Funke and Case, 1996 38
Genoma compactado
 Estado funcional
 50 a 100 domínios ou alças (cada uma super-
helicoidizada negativamente de modo independente)
 RNA (conectores) e proteínas são componentes do
genoma compactado no nucleóide mas ~80% é DNA
 Genoma pode ser parcialmente relaxado por DNAse
e/ou RNAse e/ou agentes que atuem nas proteínas
 As proteínas que atuam na condensaçao do DNA ainda
não são totalmente conhecidas
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Estrutura do estado funcional do
cromossoma de E. coli
Relaxa o
DNA apenas
nos
domínios
cortados
Descompacta o
RNA parcialmente,
eliminando alças
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- Presença de proteínas associadas, semelhantes às
histonas, envolvidas no empacotamento do
cromossomo e regulação de transcrição
Cromossomo bacteriano
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Estrutura e organização do
cromossomo de E. coli
 4.6 Mb
 90% do genoma codifica proteínas
 4288 genes, 40% dos quais ainda não se
sabe o que codificam
 Quase não tem DNA repetitivo
 Sequências de bacteriófagos encontradas
em 8 locais (devem ter sido invadidas por
vírus, pelo menos, 8 vezes durante a história
evolutiva)
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Cromossomo de E. coli
8
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Descobertos nos anos 50 (Japão):
genes de resistência em epidemia de disenteria por
Shigella dysenteriae
- Molécula de DNA de fita dupla, circular e super-
enovelada
Exceções: em poucas espécies, são lineares ou de fita
simples.
- Replicação autônoma (independente do cromossomo)
Plasmídeos
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Plasmídeos
DNA de uma célula de
E. coli lisada. (setas
indicam plasmídeos)
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Plasmídeos
-Estrutura não essencial, mas que pode conferir vantagens
seletivas
-Exemplos:
•resistência a drogas e outros agentes antimicrobianos
•produção de fatores de virulência (toxinas, adesinas)•degradação de substâncias inusitadas (ex. petróleo)
•alguns conferem mecanismos adicionais de transferência genética
(conjugação) > plasmídeos conjugativos
Funções:
-Importantes ferramentas em Engenharia Genética
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- Tamanho variável (~1 a 200kb)
- No. variável em uma mesma bactéria:
Pode não conter plasmídeos, ou pode conter
vários tipos de plasmídeos, simultaneamente.
- No. de cópias de cada molécula é controlado:
pequenos (5-10 kb) 50-100 cópias/célula
grandes (50-200 kb) 1-10 cópias/célula
Plasmídeo
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-Fragmentos de DNA lineares
-Tamanho: variável (~700 a 40.000 pb)
-Associados a uma molécula de DNA auto-replicativa
-Podem mover-se de uma região para a outra, na mesma
ou outra molécula (podem inativar genes...)
- Embora não essenciais, podem ser vantajosos (ex. genes
de resistência, produção de toxinas)
Elementos Transponíveis
Sequências de inserção e Transposons
Ilhas de patogenicidade (PAIs)
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9
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Vírus bacterianos
(Bacteriófagos ou fagos)
Fago temperado: genoma insere-se no
cromossomo bacteriano, mantendo-se de modo ~
estável> (estado de profago)
Bactérias contendo profagos são denominadas
lisogeneizadas
Fago virulento (ou lítico): lisa bactérias infectadas
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Vírus bacterianos
Conversão fágica (ou conversão lisogênica):
Fenômeno onde uma propriedade bacteriana é
codificada pelo profago
Ex. Corynebacterium diphtheriae (difteria)
Genes que codificam toxina diftérica são
do vírus somente as bactérias
lisogeneizadas da espécie são virulentas
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Estrutura cromossômica
e genoma de eucariontes
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Células Eucarióticas
célula animal
célula vegetal
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célula vegetal
DNA nuclear +
DNA cloroplastidial +
DNA mitocondrial
DNA nuclear +
DNA mitocondrial
célula animal
Genoma eucariótico
 Grande nível de complexidade
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 Moléculas enormes de DNA
 Altamente condensadas durante a mitose e
meiose (durante a interfase não é possível
visualizar cromossomos individuais
 Centrômeros e telômeros têm estruturas únicas
Cromossomos eucarióticos
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c = centrômeroTelômero Telômero
Centrômero: Local onde se prendem as proteínas que ligam
os cromossomos às fibras do fuso.
Telômero: Estruturas características localizadas nas
extremidades dos cromossomos.
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Genoma eucariótico
 Maioria dos organismos é DIPLÓIDE
(dois conjuntos completos de genes, um de cada
genitor) – alguns podem ser POLIPLÓIDES ou
ainda HAPLÓIDES
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Cariótipo eletroforético de
Saccharomyces cerevisiae
16 cromossomos visualizados
em bandas em gel de agarose
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Genoma eucariótico
 O tamanho do genoma tem ordens de
grandeza maior que de vírus e procariontes
(apesar de eucariontes terem apenas 2 a 15
vezes mais genes que a E. coli)
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11
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Cromossomos interfásicos
 Chroma (grego): cor
 Cromatina: complexo DNA + proteínas
Eucromatina: material genético pouco corado
durante a intérfase, com muitos genes
Heterocromatina: cromatina que se cora
intensamente durante a intérfase, em geral
contendo DNA repetitivo com poucos genes
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Proteínas da cromatina
 Proteínas básicas (carga positiva em pH
neutro): HISTONAS
 Proteínas ácidas (carga negativa em pH
neutro): grupo heterogêneo, coletivamente
chamadas de PROTEÍNAS
CROMOSSÔMICAS NÃO-HISTONAS
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HISTONAS
 Importantes para a composição da
estrutura da cromatina
 Todos os eucariontes tem histonas em
quantidades equivalentes à quantidade de
DNA
 Interação HISTONA + DNA conservada
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CLASSES DE HISTONAS
 5 tipos: H1, H2a, H2b, H3 e H4 (presentes em
quase todos os tipos de células – exceção:
alguns espermatozóides com protaminas)
 Proporções molares:
 1 H1 : 2 H2a : 2 H2b : 2 H3 : 2 H4
 H2a, H2b, H3 e H4 são proteínas muito
conservadas (constantes entre espécies
amplamente divergentes)
 Importantes na estrutura da cromatina (mas não
tanto em processos regulatórios)
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PROTEÍNAS NÃO-HISTONAS
 Grande número de proteínas
heterogêneas
 Variam amplamente, mesmo entre
diferentes tipos de células do mesmo
organismo
 Prováveis candidatas a papéis na
regulação da expressão gênica
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Compactação dos cromossomos
eucarióticos
 Cada cromossomo é uma única molécula
de DNA
 Estas moléculas tem de 1 a 20 cm de
comprimento (maior cromossomo humano
tem 8,5 cm)
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Autorradiografia de uma molécula de DNA com 1,2 cm de tamanho de
Drosophila melanogaster
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Compactação dos cromossomos
eucarióticos
 3 níveis de compactação
1) Estrutura de contas (microscopia eletrônica)
Fibra de 10 nm
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Estrutura de um nucleossomo
(cerne do nucleossomo: ~150 a
200 pb de DNA associados a 2
cópias de histonas (H2A, H2B,
H3 e H4) e uma histona H1
externa.
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Compactação dos cromossomos
eucarióticos - 3 níveis
 2) Fibra de cromatina de 30 nm (microscopia
eletrônica e óptica)
Encontrada em cromossomos mitóticos e
meióticos
Fibra de 10 nm enrolada em uma super-hélice
de ordem maior (um solenóide)
Histona H1 parece desempenhar papel de
estabilização e composição desta fibra
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Fibra de cromatina de 30 nm
Microscopia eletrônica da estrutura
Compactação dos nucleossomos
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Compactação dos cromossomos
eucarióticos - 3 níveis
3) Proteínas não-histonas
Cromossomo metafásico
Parece não depender de histonas
Formam um arcabouço envolvido na
condensação cromossômica
Domínios super-helicoidizados
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Cromossomo humano
metafásico do qual foram
removidas as histonas
O arcabouço tem a mesma forma
do cromossomo metafásico antes
da remoção das histonas
Proteínas
cromossômicas não-
histonas (ou não
histônicas)
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• Representação esquemática do DNA cromossômico
preso a um arcabouço (scaffold) nuclear.
• Cada dobra representa mais uma compactação.
• Dentro dos loops estão genes com funções
relacionadas.
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Composição de
cromossomos
eucarióticos
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