DNA Estrutura e Replicação

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Genética 
DNA: Estrutura e Replicação 
DNA: Material Genético 
• James Watson e Francis Crick em 1953 → estrutura 
em dupla hélice = 2 cromátides de nucleotídeos 
ligados que se enrolam uma na outra. 
• Primeira metade séc XX → DNA é material genético 
e não outra molécula biológica (carboidrato, proteína, 
etc). 
• O que se sabia antes do modelo de dupla hélice: 
✓ Genes (fatores hereditários = Mendel) → 
associados a características específicas, mas sem 
conhecer sua natureza física. Mutações 
conhecidas como alteração do funcionamento 
do gene, mas não era compreendida 
exatamente. 
✓ Hipótese 1 gene – 1 proteína → genes controlam 
a estrutura das proteínas. 
✓ Genes são levamos nos cromossomos. 
✓ Cromossomos = DNA + proteínas. 
✓ DNA → material genético. 
Transformação - Griffith 
• Frederick Griffith – 1928 → bactérias Streptococcus 
pneumoniae + camundongos 
• 2 linhagens: 
1. Tipo virulento mortal → encapsuladas em 
polissacarídeos, colônias com aspecto liso = 
S. 
2. Tipo não-virulento mutante: cresce, mas 
não é letal → não encapsuladas, colônias 
com aspecto rugoso = R. 
• Matou algumas virulentas por calor 
• Células virulentas mortas → camundongos viveram. 
• Mistura de células virulentas mortas e não-virulentas 
vivas → camundongos morreram. 
• Restos de células S aquecidas converteram R vivas 
em S vivas → transformação. 
• O que causou a transformação? 
✓ Algo mudou o genótipo da linhagem receptora. 
✓ Polissacarídeos → candidato óbvio → não = 
foram destruídos e mesmo assim houve 
transformação. 
✓ Mistura perdia capacidade → enzima 
desoxirribonuclease (DNase) → quebra o DNA. 
✓ DNA → material genético. 
• Demonstração que genes são compostos de DNA. 
 
Experimento de Hershey – Chase 
• Cientistas relutaram em aceitar o DNA (e não 
proteínas). 
• Fago T2 → infecta bactérias → devia injetar a 
informação para a reprodução de novas partículas 
virais → descobrir qual o material injetado. 
• Marcar DNA e proteínas com radioisótopos - 
rastreio: 
✓ Fósforo → está no DNA, mas não na proteína. 
✓ Enxofre → está na proteína, mas não no DNA. 
• Injetaram duas culturas de E. coli com partículas virais 
→ uma com S marcado e outra com o P. 
✓ Fósforo → material radioativo dentro das células 
→ DNA do fago entrou na célula. 
✓ Enxofre → material radioativo fora das células. 
• DNA → material genético. 
Estrutura do DNA 
• Cada célula do organismo tem mesma constituição 
→ replicação fiel do DNA é crucial. 
• Conteúdo informacional → codificar uma 
constelação de proteínas. 
• Deve ser capaz de mudar em raras ocasiões 
(mutações), mas deve ser estável para que os 
organismos possam se basear em sua informação 
codificada. 
 
 
 
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Estrutura antes de Watson e Crick 
Blocos Estruturais do DNA 
• Componentes básicos: 
✓ Fosfato 
✓ Açúcar → desoxirribose. 
✓ Bases nitrogenadas → adenina, guanina, timina e 
citosina. 
• Átomos de carbono nas bases e no açúcar → tem 
numeração → números primos. 
• Ex: desoxirribose → H no carbono 2’ / ribose → OH 
no carbono 2’. 
• Adenina e guanina → estrutura de dois anéis → 
purinas. (ÁGua pura) 
• Citosina e timina → estrutura de um anel → 
pirimidinas. 
• Nucleotídeo = fosfato + pentose + base nitrogenada 
(DNA: A, C, T ou G). 
✓ Base nitrogenada → ligada no carbono 1’ 
✓ Hidroxila livre → ligada no carbono 3’ 
✓ Grupo fosfato → ligado no carbono 5’ 
 
Regras de Chargaff da Composição de Bases 
• Quantidade pirimidínicos (T + C) = Quantidade 
purínicos (A + G). 
• T = A / C = G → quantidades. 
• A + T é diferente de C + G → quantidades. 
• Proporção varia entre indivíduos diferentes, mas é 
igual para os tecidos de um mesmo organismo. 
Análise de Difração de Raios X do DNA 
• Dispersão dos raios X do DNA → pontos em filme 
fotográfico. 
• Ângulo → informações sobre posição. 
• Dados → DNA é longo e fino, tem 2 partes similares 
paralelas e é uma molécula helicoidal (em espiral). 
 
 
Dupla hélice 
• Duas cadeias lado a lado de nucleotídeos torcidos na 
forma de uma dupla hélice → escada em espiral. 
• Nucleotídeos → mantidos juntos por pontes de 
hidrogênio entre as bases nitrogenadas. 
• Arcabouço de cada filamento formado por unidades 
alternadas de fosfato e desoxirribose → conectadas 
por ligação fosfodiéster → arcabouço açúcar-fosfato. 
• Ligação fosfodiéster → conecta grupo fosfato 
(carbono 5’) de um nucleotídeo à hidroxila livre da 
pentose (carbono 3’) do nucleotídeo adjacente. Cada 
ligação tem uma polaridade 5’ para 3’. 
• Molécula bifilamentar de DNA → dois arcabouços em 
direção oposta → polaridade oposta. 
• Cada base → ligada ao carbono 1’ da pentose no 
arcabouço de cada filamento → voltada para dentro 
até a base no outro filamento (ficam de fora do 
arcabouço). 
 
• Filamentos nucleotídicos pareados com polaridade 
inversa → conformação de dupla-hélice 
(principalmente pela interação das bases). 
 
• Pares de bases → empilham-se uns sobre os outros 
no centro → dá estabilidade à molécula, excluindo as 
moléculas de água dos espaços entre os pares de 
bases. 
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✓ Forma mais estável → 2 tamanhos distintos de 
sulcos correndo em uma hélice → sulcos maior 
e menor. 
✓ Maioria associações DNA-proteínas → sulcos 
maiores. 
• Todas as moléculas insolúveis (hidrofóbicas) → ficam 
voltadas para o interior → garante maior estabilidade 
da molécula de DNA. 
• Um único filamento de nucleotídeos não tem 
estrutura helicoidal. 
• Dados dos raios X → explicados se uma purina 
fizesse par com uma base pirimidina (por lig de H) 
→ responde à regularidade de Chargaff. 
• G pareia com C e A pareia com T. 
𝐺 ≡ 𝐶 𝐴 = 𝑇 
• DNA contendo mais pares de G – C é mais estável. 
• Calor → filamentos se separam → dissociação 
(melting) do DNA ou desnaturação do DNA. 
✓ Conteúdo maior G – C → requer maiores 
temperaturas. 
 
Cromossomos 
• Material genético → grande. 
✓ Diploide 
✓ Dividido em porções → cromossomos → todo 
condensado. 
• 23 pares de cromossomos. 
 
• Tipos de cromossomo → depende da posição do 
centrômero 
✓ Metacêntrico → centrômero no meio 
✓ Submetacêntrico → centrômero deslocado para 
uma das extremidades. 
✓ Acrocêntrico → bem na porção terminal. 
 
• Máxima condensação dos cromossomos → fase da 
metáfase (tanto na mitose quanto na meiose). 
• Primeiro nível de compactação → associação da 
molécula de DNA a proteínas do tipo histonas. 
• Histonas → proteínas básicas → papel estrutural → 
H1, H2a, H2b, H3 e H4. 
✓ Cerne formado por 8 proteínas básicas → DNA 
se enrola em volta → forma estrutura = 
nucleossomo. 
• Proteínas não-histonas → proteínas ácidas. 
 
• Níveis de compactação → estrutura de DNA não é 
encontrada da mesma forma em todas as etapas do 
ciclo celular. 
✓ Precisa estar mais aberta, liberta (acessível) → 
processo de síntese do DNA. 
✓ Fases de compactação e descompactação. 
 
• Segundo nível de compactação → dobramento → 
aproximando nucleossomos → forma estrutura = 
solenoide (não é o último nível de compactação). 
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• Proteínas não-histonas → se associam às estruturas 
✓ Funcionam como suporte/esqueleto sobre o 
qual o DNA é organizado. 
✓ Conhecidas como scaffold proteins (proteínas do 
esqueleto). 
 
 
• Centrômero → constrição do cromossomo. 
✓ Nele que as fibras do fuso se ligam → para que 
cromátides-irmãs ou cromossomos homólogos 
possam se separar (anáfase). 
• Telômeros → sequência curta de DNA (TTAGGG) 
que é repetida várias vezes na ponta do 
cromossomo. 
✓ Evita a degradação por exonucleases. 
✓ Evita fusão das pontas com outrasmoléculas de 
DNA. 
✓ Término → região unifilamentar rica em G no 
filamento 3’. 
✓ Telomerase 
✓ Proteínas de ligação ao telômero (TRF-2) 
 
✓ Telomerase → enzima responsável pela 
replicação do telômero. 
Ponta do cromossomo sempre termina com 
uma extremidade de fita simples → último 
primer gera essa estrutura sobressalente 
(pedacinho unifilamentar). 
Telomerase → enzima com molde interno de 
RNA com sequência complementar à sequência 
do telômero. Quando telomerase reconhece a 
ponta → se associa e anela à sequência 
presente no telômero → gera um molde → 
para que filamento possa se estender → com 
extremidade 3’ a polimerase consegue chegar. 
 
 
Estrutura do RNA 
• Não possui estrutura muito diferente. 
• Açúcar → ribose (hidroxila – OH – no carbono 2’) 
• Base nitrogenada → C, G, A e U (uracila, não tem 
timina) 
• É unifilamentar → tem arcabouço, mas não possui 
o outro filamento → mais instável que o DNA. 
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• DNA x RNA 
 
Divisão Celular 
• Meiose → divisão reducional. 
✓ 1ª etapa → divisão dos cromossomos homólogos 
✓ 2ª etapa → separação das cromátides irmãs. 
• Mitose → células se divide e forma 2 células com 
mesmo n° de cromossomos que a original. 
 
• Toda célula → antes de passar por seu processo de 
divisão → precisa ter seu material genético replicado. 
Replicação Semiconservativa 
• 3 modos diferentes hipotéticos que uma molécula 
parental pode estar relacionada às moléculas-filhas. 
1. Replicação semiconservativa → uma cadeia 
parental de nucleotídeos e uma recém-
sintetizada. 
2. Replicação conservativa → parental é 
preservada, 2 filamentos recém-sintetizados. 
3. Replicação dispersiva → cada filamento 
contendo segmentos de ambos = parentais 
e recém-sintetizados. 
 
Replicação Semiconservativa 
• Deselicoidização dos 2 filamentos → expõe as bases 
de cada um. Base exposta → potencial para parear 
com nucleotídeos livres na solução. 
• DNA impõe requisitos rígidos de pareamento → 
base complementar → G – C e A – T. 
• Cada um dos filamentos → molde para estruturas 
uma dupla hélice idêntica à original. 
✓ Cada molécula filha → uma cadeia parental de 
nucleotídeos e uma recém-sintetizada. 
 
Experimento de Meselson – Stahl 
• Compreensão se mecanismo é semiconservativo, 
conservativo ou dispersivo. 
• Distinguir DNA de densidades diferentes. 
• DNA → se semiconservativo = metade da densidade 
velha e metade nova → densidade intermediária → 
repetiram por mais 2 gerações → semiconservativo. 
 
 
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Forquilha de Replicação 
• Previsão do modelo Watson-Crick. 
• Forquilha = zíper de replicação → local onde a dupla 
hélice é desenrolada para produzir os 2 filamentos 
únicos que serão moldes para a cópia. 
DNA polimerases 
• Problema para compreender → como as bases são 
trazidas até a dupla hélice? 
• 1959 → isolada a DNA polimerase da E.coli 
• Adiciona desoxirribonucleotídeos à extremidade 3’ 
(molde = único filamento de DNA). 
• 3 funções das polimerases: 
✓ Atividade polimerase → catalisa crescimento da 
cadeia no sentido 5’-3’ 
✓ Atividade exonuclease → 3’ para 5’ → remove 
pareamentos errados de bases → função 
revisora. 
o Adicionou nucleotídeo errado → volta 
no sentido 3’-5’ → retira o nucleotídeo 
→ volta para síntese no sentido 5’-3’. 
o Permite que taxa de mutação na 
replicação seja reduzida. 
✓ Atividade exonuclease → 5’ para 3’ → degrada 
dupla hélice de DNA (capaz de retirar 
nucleotídeos da ponta 5’). 
 
 
• Durantes muitos anos acreditava-se que existia uma 
única DNA polimerase → existem mais de 5 
identificadas em procariotos e em eucariotos existe 
muito mais. 
✓ Exerce a síntese → DNA polimerase III → 
velocidade de polimerização muito alta. 
Consegue sintetizar e revisar. 
✓ Única que exerce as 3 atividades → DNA 
polimerase I. 
 
• DNA polimerase III (verdadeira sintetase) → 
holoenzima de estrutura dimérica → tem várias 
subunidades. 
 
Replicação do DNA - Procariotos 
• Procariotos e eucariotos → processo semelhante. 
• Replicação bacteriana 
✓ Único cromossomo = cromossomo principal é 
circular. 
✓ Existe um ponto específico que a replicação é 
iniciada = origem de replicação. 
✓ A partir do ponto → replicação ocorre nos 2 
sentidos (bidirecional) → aparato de enzimas. 
 
 
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Processo de Replicação 
Abertura das Fitas de DNA 
• Enzima que atua → helicase → prende e “desliza” 
→ rompendo as ligações de hidrogênio → ocorre 
no ponto de origem. 
• Não demanda de uma energia alta → região rica em 
A e T (2 pontes de hidrogênio = menor energia). 
 
• Uma vez aberta → podem haver complicadores: 
• Fita simples → pequenas sequências que se 
complementam dentro da fita simples → começam 
a se parear e surgem grampos = hairpins → não 
permite que a molécula seja copiada. 
✓ Evitar que o filamento volte a se hibridizar com 
o filamento complementar e o aparecimento de 
hairpins → existem proteínas de ligação ao DNA 
unifilamentar (SSB) → se associam aos 
filamentos simples. 
 
• Força constante de abertura → à frente vai 
formando as super hélices (super enrolamento) → 
pode acontecer durante a replicação. 
✓ TOPOISOMERASE I → alivia a tensão → alivia 
super enrolamento afrente das forquilhas de 
replicação. 
✓ Enzima corta um dos filamentos → segura cada 
uma das pontas numa extremidade (pontos 
verdes na 3ª imagem) → passa sobre o outro 
filamento e liga de novo → alivia um giro no DNA 
e alivia tensão. 
 
✓ Podem atuar de 2 formas → topoisomerase do 
tipo I e do tipo II (chamada DNA girase). 
✓ DNA GIRASE → age em super hélices mais 
complexas → as vezes enrolamento é tão 
grande que não adianta cortar um só filamento, 
tem que cortar os dois (corta e religa). 
✓ Evitar que haja algum bloqueio. 
 
 
 
Formação da Forquilha de Replicação 
• Abertura de DNA → gera uma bolha de replicação 
como é direcional, cada aparato de enzimas que 
atuará para cada um dos lados atua em uma forquilha 
de replicação. 
• Move-se na síntese a partir da deselicoidização do 
DNA. 
 
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Leitura do Filamento-mãe 
• Próximo passo → leitura do filamento-mãe e síntese 
do novo filamento. 
• Síntese de DNA → responsável = DNA polimerase 
→ pega nucleotídeos livres e incorpora na cadeia de 
DNA (filamento que está sendo formado). 
✓ O nucleotídeo novo sempre será adicionado na 
extremidade 3’ OH da cadeia em crescimento. 
Crescimento da cadeia = síntese do DNA → 
sentido 5’-3’. 
 
• Precursor da síntese → desoxirribonucleosídeo 5’ 
trifosfato. 
• DNA polimerase não consegue começar o processo 
de síntese (colocar 1° nucleotídeo) → quando 
molécula de DNA se abre não existe uma 
extremidade 3’. 
• PRIMER → existe uma enzima de RNA = primase 
(grupo de proteínas = primossomo) → não tem 
esse pré-requisito → coloca os primeiros 
nucleotídeos do filamento novo → são de RNA, mas 
conseguem exercer papel de gerar a extremidade 
3’ → (esses nucleotídeos = primer). 
✓ Leading → apenas um primer inicial. 
✓ Lagging → cada fragmento de Okazaki precisa 
de seu primer. 
• O que acontece com o primer? Depois será retirado 
e aquela porção substituída por moléculas de DNA. 
 
 
Síntese do Novo Filamento 
• Sempre no sentido 5’-3’ 
 
• Filamento contínuo = leading → sintetizado de forma 
contínua (de um lado da molécula) no sentido da 
forquilha. 
• Do outro lado → tem que ser na direção 5’-3’ → 
então a síntese terá que ser em direção oposta ao 
andamento da forquilha → não pode ficar assim 
muito tempo → fragmentos. 
✓ Não tem uma síntese que é contínua → 
sintetizada em pedaços → filamento lagging. 
✓ Cada filamento= fragmento de Okazaki. 
✓ Vários primers precisam ser retirados → 
polimerase I tem capacidade de exonuclease 5’-
3’ → ela degrada o primer e preenche os 
espaços vazios com DNA. 
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• Última ligação fosfodiéster → DNA LIGASE → junta 
ponta 3’ do DNA preenchedor à ponta 5’ do 
fragmento de Okazaki posterior. 
✓ Última ligação entre grupo fosfato do carbono 
5’ e a hidroxila livre (OH) no carbono 3’. 
 
Replissomo 
• Marco da replicação → velocidade. 
• Replissomo → complexo nucleoproteico que 
coordena as atividades na forquilha de replicação. 
• Cerne catalítico da DNA pol III → faz parte de um 
complexo maior: 
• Holoenzima polimerase III 2 cernes catalíticos e 
proteínas acessórias. 
✓ Um cerne para o filamento contínuo e o outro 
para o descontínuo. 
✓ Proteínas → conexão que faz ponte entre os 2 
cernes. 
• Grampo β → circunda o DNA como um “donut” → 
mantém a pol III ligada ao DNA. 
✓ Pol III deixa de adicionar 10 nucleotídeos (enzima 
distributiva) para adicionar dezenas de milhares 
(enzima processiva). 
✓ Primase não toca o grampo → atua como 
enzima distributiva → apenas alguns 
nucleotídeos, apenas o necessário para o ponto 
inicial. 
 
 
Eucariotos x Procariotos 
• Eucariotos → replicação ocorre na fase S → 
cromossomos mais descondensados. 
✓ Cromátide se duplica para sofrer o processo de 
condensação para conseguir se dividir. 
• Eucariotos → não existe uma única origem de 
replicação, são vários cromossomos → várias 
origens, todas com replicação bidirecional → 
forquilhas vão crescendo até se encontrarem umas 
com as outras. 
 
• Eucariotos → existem mais DNA polimerases. 
 ↑ Ref= Griffiths – Cap 7 DNA: Estrutura e Replicação