ESTRUTURA E ORGANIZAÇÃO DO MATERIAL GENÉTICO

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Biologia Molecular e Celular
Isabel Lima
ESTRUTURA E ORGANIZAÇÃO DO
MATERIAL GENÉTICO
Está perdido?
As anotações que eu fiz durante a aula estão em preto.
Já as anotações feitas durante a leitura do Alberts estão em azul!
Em verde estão algumas observações feitas nas aulas para tirar as dúvidas!
Referências utilizadas:
ALBERTS, B.; JOHNSON, A.; LEWIS, J.; et al. Biologia molecular da célula. Artmed, 2010.
O ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO (DNA)
EXPERIMENTOS
● Descoberto por Griffith com estudos com estreptococos inoculados em
camundongos
○ Cepa S viva → ratin morto ⇒ Cepa S é patogênica
○ Cepa R viva → ratin vivasso ⇒ Cepa R é safe
○ Cepa S morta → Rain vivasso ⇒ Cepa S morta é safe
○ Cepa R viva + Cepa S morta → ratin morto ⇒ Cepa R com partes da
Cepa S é patogênica
○ Hipótese do Princípio Transformante ⇒ alguma coisa da cepa S
passava para cepa R, tranformando-o em patogênica
● Hershey e Chase⇒ experiência definitiva
○ Duas cepas diferentes → uma com DNA marcado com P32 e outra
com o capsídeo com S35.
○ Após incubação e centrifugação, verificou-se que os vírus estavam
todos com o DNA P32, mas nem todos tinham capsídeos com S35.
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UNIDADES DO DNA
● Nucleotídeo = pentose + fosfato (mono, bi ou tri) + base nitrogenada
● Nucleosídeo = pentose + base nitrogenada
BASES
● Purinas⇒ Adenina e Guanina;
● Pirimidinas⇒ Citosina, Timina e Uracila
● DNA⇒ AGCT
● RNA⇒ AGCU
● Pareamento sempre cruzando purina com pirimidina (bases complementares)
○ Adenina = Timina // Uracila ⇒ 2 Ligações de H.
○ Guanina ☰ Citosina ⇒ 3 Ligações de H.
○ É feita por ligações de hidrogênio ⇒ confere a dupla-hélice do DNA
■ Cada volta possui 10 pares de base
■ Orientada para direita
■ A dupla-hélice é o formato mais favorável, comportando as
bases no interior dela
● O DNA é anti-paralelo e a suas fitas devem ser complementares
○ fita 1 → 5’ pra cima e ACCTG
○ fita 2 → 3’ pra cima e TGGAC
PENTOSES
● Ribose (4 OH) ⇒ RNA
● Desoxirribose (3 OH) ⇒ DNA
○ Fosfato se liga no carbono 5’ da pentose e se liga no carbono 3’ da
pentose adjacente por ligações covalentes (fosfodiéster)
● A ausência de uma hidroxila no 2º átomo de carbono reduz a quantidade de
reações possíveis no DNA quando comparado com o RNA, que também tem
função enzimática
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SÍNTESE DO POLINUCLEOTÍDEO
1. Quebra do pirofosfato (ligação entre fosfato 1 e 2) de um nucleotídeo que
possui o trifosfato ligado ao carbono 5’
2. Essa energia vai catalisar a união desse nucleotídeo com outro por intermédio
do seu carbono 3’ ⇒ perda de uma molécula de água (desidratação)
a. A quebra de um ácido nucleico é uma reação de hidrólise
O DNA
● 5’ → 3’
● A síntese do DNA é semiconservativa → a partir de uma metade parietal,
forma-se uma fita complementar.
● Antiparalelismo → Enquanto uma fita está com o 5’ para cima a outra está
com o 3’ para cima.
● Dupla-helicoidal
● Complementar
O GENOMA
O GENE HUMANO
● Gene ⇒ é uma sequência do DNA que transcreve para algo funcional (RNAt,
RNAm e etc)
● É formado por éxons, codificante, e íntrons, não codificante.
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INTRODUÇÃO
BACTÉRIAS ⇒ PROCARIOTOS → Sem carioteca
● É circular ⇒ uma ponta se une a outra
● Se organiza em um nucleóide
● Empacotado por proteínas semelhantes às histonas
● Quase todas as partes do seu material genético é um gene, não existe muitos
DNA espaçadores ou íntrons → compacto
○ C = 105 e 107
EUCARIOTOS → com carioteca
● Material envolto pela carioteca
● Se organiza no núcleo
● Material descondensado → cromatina → intérfase
● Material condensado → cromossomo → metáfase
○ Normalmente são lineares (com extremidades limítrofes)
○ São empacotados por proteínas de condensação (histonas) e outras
proteínas acessórias participantes nos processos de expressão gênica,
replicação e reparo do DNA.
○ Cada espécie possui uma quantidade específica
● É um material pouco condensado com muitos DNA espaçadores, DNA
repetitivo e íntrons
○ C = 109 e 1010
○ É repetitivo
TIPOS DE DNA
DNA de cópia única (genes funcionais) + DNA espaçador + DNA repetitivo
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DNA REPETITIVO
● O DNA repetitivo pode ter função ou ter função desconhecida
● Funcionais → famílias gênicas dispersas ou organizadas, sequências não
codificadoras;
● Função desconhecida → DNA satélite, VNTRs e elementos genéticos móveis,
como transposons (DNA) e retrotransposons (passar por uma transcrição,
RNA)
DNA DE CÓPIA ÚNICA
● Comportam os Genes, que podem ser sequências codificantes ou não.
● Sequências codificantes⇒ Gene → RNAm → Proteína, necessariamente
○ A maioria é DNA de cópia única, mas podem ser também o DNA
repetitivo
○ Dentro desta sequência codificante existem os éxons, que são
representados na proteína, e os íntrons, que não são.
DNA ESPAÇADOR
● São sequências de DNA que ficam entre os de cópia única e os repetitivos
● Não podem ser transcritos, sua funcionalidade se resume a proteger os DNAs
de cópia única
● Responsável pelo paradoxo do valor C
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O PARADOXO DO VALOR C
● Não há uma regra simples para o número cromossômico e a
complexidade do organismo e o tamanho total do genoma
○ O que não importa é a quantidade de bases nitrogenadas ou a taxa de
semelhança entre os genomas, mas sim de como esse genoma é
usado e transcrito. ⇒ O paradoxo do valor C
○ Existem sequências inúteis, DNA espaçadores, íntrons, sequências
repetidas que aumentam o valor C, criando o paradoxo
DISTRIBUIÇÃO NOS HUMANOS
● 22 pares autossômicos + 1 sexual → 46 cromossomos
○ A representação dos 46 cromossomos é chamada de cariótipo
humano
● Cada célula humana possui 2 cópias de cada cromossomo.
○ Com exceção dos gametas, células especializadas que não se
multiplicam, células especializadas sem DNA (hemácias), células que
não completaram o ciclo celular de divisão.
● Um cromossomo é herdado da mãe e o outro do pai e são semelhantes em
formato ⇒ Cromossomos homólogos
● Cromossomos não-homólogos⇒ Cromossomos sexuais no macho
○ M → X - mãe ; Y - pai
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ORGANIZAÇÃO INTERNA DO GENOMA
● Apenas 1,5% codifica proteínas
● Possui éxons (Codificáveis) e íntrons (não-codificáveis)
● Está ligada à sequências reguladoras⇒ ativar e desativar genes
○ Podem ser repetitivos (GC box) e não-repetitivos (TATAbox)
● Possuem, ainda, genes de RNA que codificam apenas RNA e param aí
OBSERVAÇÕES
● Um determinado pool de espécies podem possuir a mesma quantidade de
Mbases, no entanto, isso será distribuído em diferentes quantidades de
cromossomos
○ Humano → 3.000 MB → 23 pares cromossomos
○ Rato → 3.000 MB → 20 pares cromossomos
○ Obs: MB o Mega Bases é uma unidade de tamanho de genoma
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● Não necessariamente o número de genes está associado diretamente ao
tamanho do genoma
○ O humano tem 30.000 genes
■ O genoma humano tem uma quantidade enorme de sequências
repetitivas (aprox 54%) e DNA espaçador
CROMOSSOMOS E CROMATINA
SEGUNDO O CICLO CELULAR
Cromossomo vermelho + cromossomo marrom ⇒ cromossomos homólogos
Os dois bracinhos do cromossomo vermelho ⇒ cromátides irmãs
● Ciclo Celular ⇒ Uma série de estágios ordenados que visam a replicação do
DNA fielmente separada e dividida entre as duas células filhas
● A depender do ponto do ciclo celular, esse material genético vai estar mais ou
menos condensado
● Célula em intérfase
○ Genes são expressos (G1 e G2); os cromossomos duplicados (forma
cromátides irmãs); tudo em cromatina (não dá para separar
individualmente cada um)
● Célula em divisão
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○ Genes não podem ser transcritos; as cromátides estão prestes a serem
separadas e distribuídas entre as células filhas; tudo em cromossomo
(dá para separar individualmente cada um)
A CÉLULA EM INTÉRFASE
● 90% em cromatina descondensada → eucromatina
○ Genes ativos
● 10% da cromatina está condensada →heterocromatina
○ Genes inativos
○ Pode ser constitutiva → heterocromatina sempre condensada
○ Pode ser facultativa → heterocromatina alterna em condensação e
descondensação
■ Em um tipo celular ela deve estar inativa e em outro ativa
CARIÓTIPO
1. Põe-se, na célula em metáfase, colcemida e uma substância hipotônica que
cause a lise
2. Cromossomos homólogos são marcados com colorações iguais (ou usa-se a
téc. de bandeamento)
a. Pode-se ainda organizar esses cromossomos seguindo o seu tamanho
e posição do telômero
3. Organiza-se esses cromossomos em pares
❖ Classificação segundo o centrômero
➢ Metafásico → no meio
➢ Sub Metafásico → se desloca para um dos lados
➢ Acrocêntrico
➢ Telocêntrico
● Translocação cromossômica recíproca
○ Há o cruzamento da dupla hélice de um cromossomo com a dupla de
outro cromossomo, fazendo uma recombinação anormal
○ Pode causar um trissomia, como a síndrome de down por translocação
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O CROMOSSOMO DEVE POSSUIR
⇒ Todos os itens abaixo são sequências especializadas de DNA
● Origem de replicação de DNA;
● Centrômero⇒ local de interseção entre uma cromátide irmã e outra
○ Possui o cinetocoro, que se ancora as fibras do fuso, permitindo que o
encurtamento dessas fibras puxe cada cromátide para um lado
● Telômeros⇒ extremidade dos cromossomos
○ Protege o DNA evitando a formação de cromossomos anômalos
○ Possui sequências repetidas que permitem a replicação eficiente
○ Forma estruturas que evitam que as extremidades cromossômicas
sejam confundidas com DNA quebrado
COMPACTAÇÃO DO DNA
Como prova que a compactação do DNA é realmente incrível, verificamos
que, se uníssemos todos os pares de nucleotídeos do cromossomo 22, teríamos
uma linha de 1,5cm. No entanto, esse cromossomo mede apenas 2 nanometros.
Isso é possível devido a estruturas específicas com o uso de proteínas
capazes para essa função, como, por exemplo, as histonas.
EFETIVAÇÃO DESSA COMPACTAÇÃO
DNA + HISTONAS + PROTEÍNAS ACESSÓRIAS = CROMATINA
● É realizado por duas classes de proteínas
○ As histonas se dividem em 5 tipos
■ H2A, H2B, H3, H4 → forma apenas nucleossomo
■ H1 → Forma o cromatossomo (está presente em 1/10 dos
nucleossomos)
○ Proteínas cromossômicas não histonas
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ORDEM DO EMPACOTAMENTO
1. O DNA será empacotado por enovelamento ao redor das histonas H2A, H2B,
H3 e H4, formando o nucleossomos.
2. Forma-se a fibra de 10nm, que se assemelha muito a um colar de contas.
a. É mais descondensado que a de 30nm.
b. Os nucleossomos se ligam linearmente e são as contas, enquanto que
o DNA é o colar.
3. As histonas H1 são responsáveis pela espiralização da cromatina, ligando-se
entre si criando uma fibra de 30nm
○ Os nucleossomos se ligam em zigue-zague
○ A cauda da histona H4 e a histona H1 participam ativamente nesse
processo de compactação
■ A H1 muda a direção do DNA quando se liga a ele, formando o
zigue-zague
4. Formação de alças entre as fibras de 30nm
❖ Essa compactação consegue diminuir o comprimento do cromossomo em
10.000x
➢ Dupla-hélice → Colar de Contas (10nm) → Zigue-Zague (30nm) →
Fibra em Alças (700nm) → Cromossomo inteiro (1.400nm)
❖ OBS: Maior a % de Lys e Arg nas histonas (+⅕) , maior a sua carga líquida +,
importante para se ligar com o DNA, que tem uma polaridade ―
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NO CICLO CELULAR
FASE M
1. Prófase → inicia a condensação
a. Prometáfase → condensação mais visível
2. Metáfase → auge da condensação
3. Anáfase → inicia-se a descondensação
4. Telófase → continua a descondensação
FASES G1, S, G2
5. Intérfase → descondensado
a. G1 → célula cresce
b. S → DNA duplicado
c. G2 → finaliza o crescimento
ORGANIZAÇÃO ESTRUTURAL DO NUCLEOSSOMO
● Usando uma DNAse para quebrar o DNA que
estivesse entre um heptâmero de histonas e o outro
(contas do colar), libera-se uma partícula do cerne
do nucleossomo
● Pondo essa conta de histonas, não-histonas e DNA
em uma solução salina, liberar-se-á um cerne
octâmero de histonas, que depois viria a se
dissociar em 2 H2A, 2H2B, 2H3 e 2H4, e a
dupla-hélice de DNA de 147 pares de
nucleotídeos.
● Na dupla-hélice a A ― T fica no sulco menor e a C
― G fica no sulco maior
ENOVELAMENTO DE HISTONAS
1. Formação de dímeros H3-H4 e H2A-H2B
2. Dímeros de H3-H4 formam tetrâmeros
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3. Tetrâmero H3-H4 se junta aos dímeros H2A-H2B formando um octâmero
4. Esse octâmero se enrola com o DNA
DETALHANDO AS HISTONAS
● As histonas apresentam 3 alfa-hélices ligadas à duas alças que se ligam ao
DNA com 142 pontes de hidrogênio e outras inúmeras pontes salinas e outras
interações hidrofóbicas
● Participam do controle da expressão gênica, a replicação e o reparo do DNA
● Cauda N-terminal → é uma cauda de sobra da histona que se projeta para
fora, estando sujeitas a diferentes tipos de modificações covalentes que
controlam aspectos críticos da estrutura e função da cromatina
● São muito conservadas evolutivamente falando
● São dinâmicos, não estáticos!
○ Se abrem 4x por segundo, permanecendo exposto por 10 a 50 ms
● Complexos de remodelagem da cromatina dependentes de ATP
○ 1 subunidade ATPase que se liga à conta e ao colar + proteínas
acessórias
○ Usa da energia liberada pelo ATP para deslocar o DNA do cerne,
afrouxando a ligação, podendo causar o deslizamento de
nucleossomos
● Histonas acetiltransferase (HAT) e complexos de histonas desacetilases
(HDAC)
○ HAT adiciona acetil nas lisinas das histonas e HDAC remove esse
grupo, afrouxando a estrutura e determina como e quando alguns
genes são expressos
● Chaperonas de histonas
○ Removem todo ou partes do cerne do nucleossomo
● Proteínas cromossômicas não histonas
○ Se associam ao DNA tendo diversas funções podendo: impedir a
formação de um outro nucleossomo; instigar a formação de um novo
nucleossomo; instigar o deslizamento do cerne…
● Acetilases
○ Criam uma barreira para essas modificações
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TELÔMEROS
● A extremidade de um cromossomo é terminada em alça, dando um “nó” em si
mesmo com a sua região terminal que consiste em sequências repetidas.
Esse nó é o telômero.
○ Essa sequência repetida é uma correspondente do primer após o ciclo
de replicação
● Isso evita a formação de cromossomos aberrantes, haja vista que impede que
a região terminal de um cromossomo se ligue com outro
● A cada divisão esse telômero vai diminuindo. O desgaste dessa sequência
aponta a idade celular.
○ Ovelha Dolly → usou um núcleo de uma célula de uma ovelha adulta,
inserindo-o em um oócito. Como o cromossomo presente neste núcleo
já havia passado por alguns ciclos celulares, o seu telômero já estava
encurtado. Isso reduziu a expectativa da Dolly.
● Telomerase⇒ é uma enzima que busca aumentar o telômero
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ORGANIZAÇÃO INTERNA NO NÚCLEO
ENVELOPE NUCLEAR
● Proteínas transmembrana da bicamada interna
○ LBR e emerina
○ Se ligam a lamina que, por sua vez, se ligam à cromatina
○ Essa ligação limita a movimentação da cromatina
REGIÕES ALU
● Região concentradora de genes
NUCLÉOLO
● Formação do RNA ribossômico
○ Apenas o 5S rRNA que é produzido fora do nucléolo
● Pelos poros nucleares há o influxo das proteínas ribossomais
● rRNA + Proteínas Ribossomais ⇒ Montagem do Ribossomo
● Há a formação das duas subunidades separadas que só irão se juntar no
momento da tradução