resumo estrutura e replicação do DNA

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Estrutura e replicação do DNA – Genética I 
 
 
@bomdialaura 
Estrutura e 
Replicação do 
DNA 
Estrutura do DNA – Histórico 
• A estrutura do DNA foi elucidada apenas em 1953 por 
Watson e Crick; 
• Mas antes disso, já se sabia muito sobre os genes: 
֍ Gregor Mendel (1865): Herança particulada; 
o As características são determinadas por 
unidades discretas (fatores/genes), herdadas 
intactas através das gerações; 
֍ Wlater Sutton – Theodor Boveri (1902); 
o Relacionaram os cromossomos com os “fatores 
hereditários” de Mendel; 
֍ Thomas Hunt Morgan (1915): incorporação da 
Herança Mendeliana à teoria cromossômica; 
o Prova que os cromossomos são portadores de 
genes; 
o Desenvolvimento embrionário da Drophila; 
֍ 1931 – O Crossing over é a causa da recombinação 
genética; 
֍ 1941 – Edward Lawrie Tatum e George Wells Beadle; 
o Demonstram que os genes codificam proteínas; 
o Teoria de um gene – uma proteína; 
֍ 1944 – Oswald Theodore Avery, Colin McLeod e 
Maclyn McCarty; 
o Isolam o DNA como sendo material genético; 
o Antes chamado princípio transformante; 
o Confirmaram (pela transformação de bactérias) 
que o conteúdo dos cromossomos são os 
“fatores hereridários”; 
֍ 1952 – Alfred Hershey – Martha Chase; 
o Provam que a informação genética de todos os 
organismos vivos é composta por DNA; 
֍ James D. Watson e Francis Crick 1953 
o Utilizando o trabalho de cristalografia de raios-X 
de Rosalind Franklin e Maurice Wilkins, que 
indicou DNA tinha uma estrutura helicoidal (em 
forma de saca-rolhas); 
o Mostram que a base física da informação 
genética eram os ácidos nucleicos, 
especificamente o DNA; 
o Determinaram a estrutura do DNA; 
֍ 47 ganhadores de prêmios Nobel; 
Estrutura do DNA 
 
• DNA é composto por 4 moléculas básicas chamadas 
nucleotídeos; 
• Cada nucleotídeo é formado por 3 unidades: 
֍ Uma pentose chamada desoxirribose; 
֍ Um grupamento fosfato; 
֍ Uma base nitrogenada; 
• A diferença entre os 4 nucleotídeos está na composição 
das bases nitrogenadas; 
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• As bases nitrogenadas podem ser de dois tipos: 
֍ Púricas: 
o Apresentam duas cadeias cíclicas de carbono; 
o Representadas pela Adenina e Guanina; 
֍ Pirimídicas: 
o Apresenta apenas uma cadeia cíclica de carbono; 
o Representadas pela Timina e Citosina; 
• Quando o grupo fosfato não está presente, chamamos a 
unidade de nuceosídeo; 
• Os nucleotídeos livres apresentam 3 grupos fosfato; 
 
֍ Desoxiadenosida 5’trifosfato; 
֍ Desoxitimina 5’-trifosfato; 
֍ Desoxiguanidina 5’-trifosfato; 
֍ Desoxicitosina 5’-trifosfato; 
• Quando estão ligados um ao outro, apenas um grupo 
fosfato permanece; 
• Ligações fosfodiéster: 
 
 
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֍ Os nucleotídeos se ligam uns aos outros para formar 
as fitas de DNA através de ligações fosfodiéster; 
o A quebra da ligação entre os grupos fosfatos 
gera energia para a reação; 
o A ligação ocorre entre o grupo fosfato alfa 
(ligado ao carbono 5’ da pentose) e o grupo OH 
do carbono 3’ da outra molécula; 
• Essa conformação se mantém por interações 
moleculares entre nucleotídeos das duas fitas chamadas 
pontes de H; 
• A interação ocorre especificamente entre os 
nucleotídeos: 
֍ Adeninas interagem com Timinas por meio de 2 
pontes de H; 
֍ Citosinas interagem com Guaninas por meio de 3 
pontes de H; 
• Duas fitas de DNA interagem entre si formando uma dupla 
fita em alfa-hélice; 
• A conformação em hélice se deve à uniforme interação 
de uma base púrica com uma pirimídica; 
DNA e cromossomos 
• Cada cromossomo contém uma única molécula de DNA 
altamente compactado; 
• A compactação ocorre devido a associação da molécula 
de DNA a proteínas chamadas histonas; 
• O conjunto DNA + histonas é chamado cromatina; 
• E o conjunto das várias proteínas que se associam ao 
DNA é chamado nucleossomo; 
Compactação do DNA 
 
 
 
• 1º nível: 
 
֍ DNA dá duas voltas num octâmero formado por duas 
unidades das histonas H2A, H2B, H3 e H4; 
• 2º nível: 
 
֍ Seis octâmeros se associam a histonas H1 para formar 
um arranjo circular; 
• 3º nível: 
 
֍ Os arranjos circulares formam um solenóide; 
• 4º nível: 
֍ Os solenóides se espiralizam e formam alças sobre 
uma estrutura proteica chamada arcabouço; 
֍ As regiões do DNA que se ligam ao arcabouço são 
chamadas regiões de ligação ao arcabouço (SARs); 
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A replicação do DNA 
• Questões: 
֍ Como a vida se mantém? 
֍ Como as espécies se mantém? 
֍ Por que os descentes se assemelham aos seus 
ancestrais? 
֍ Como as espécies evoluem? 
֍ A resposta de tudo está na replicação do DNA; 
• Definição: 
֍ Processo de cópia de uma mólecula de DNA parental 
para formar moléculas de DNA filhas; 
֍ Características: 
o Alta precisão → 1 erro a cada 10^9 pb; 
o Alta velocidade → 10000 nucleotídeos/seg 
o Grande maquinaria replicativa; 
• Tipos de replicação: 
֍ Na replicação semiconservativa, a dupla-hélice de 
cada molécula-filha de DNA contém um filamento da 
molécula de DNA original e um filamento recém-
sintetizado; 
֍ Na replicação conservativa, a molécula de DNA do 
genitor é conservada e uma única dupla hélice-filha é 
produzida, composta por dois filamentos recém-
sintetizados; 
֍ Na replicação dispersiva, cada uma das moléculas-
filhas é composta por filamentos que contêm 
segmentos de ambos os DNA parentais e do DNA 
recém-sintetizado; 
 
• Replicação semiconservativa: 
 
֍ DNA parental separa → fabricada uma fita nova 
complementar; 
֍ Molécula de DNA filha: 1 cadeira parental + 1 cadeia nova 
→ transmitida à célula filha; 
֍ Cada um dos dois filamentos únicos atuará como um 
modelo, ou molde, para direcionar a montagem das 
bases complementares para formar novamente uma 
dupla-hélice idêntica à original; 
• DNA polimerase → 5’-3’; 
֍ Enzima que adiciona nucleotídeos → nova cadeia de 
DNA; 
֍ Depende de: 
o dNTP livres: substrato e energia; 
o DNA molde: fita simples; 
o Extremidade 3’OH- livre → sítio de ligação; 
 
• DNA polimerase I de E. coli: 
֍ Essa enzima adiciona desoxirribonucleotídios na 
extremidade 3′ de uma cadeia de nucleotídios em 
crescimento, utilizando como molde um filamento 
único de DNA que foi exposto pela deselicoidização 
localizada da dupla-hélice; 
֍ A adição de cada base ao polímero em crescimento 
é acompanhada pela remoção de dois dos três 
fosfatos na forma de pirofosfato (PPi); 
֍ A energia produzida pela clivagem dessa ligação de 
alta energia e a subsequente hidrólise do pirofosfato 
em duas moléculas de fosfato inorgânico auxiliam no 
direcionamento do processo endergônico de 
construção de um polímero de DNA; 
 
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֍ Atividade polimerásica 5’ → 3’; 
֍ Atividade exonucleásica 3’ → 5’; 
֍ Atividade exonucleásica 5’ → 3’; 
• DNA primase: 
 
֍ Fabrica pequenos RNA’s (10 nucleo.) → ininciadores 
→ criação de 3’OH- livre → ligação da DNA pol.; 
• Problema: sentido de polimerização; 
 
֍ DNA Pol adiciona nucleotídeos de 5’ → 3’; 
• Forquilha assimétrica: 
֍ Forquilha de replicação: região da dupla-hélice que é 
desenrolada e aberta em 2 fitas simples → molde 
para replicação; 
֍ É o local no qual a dupla-hélice é desenrolada para 
produzir os dois filamentos únicos que atuam como 
moldes para a cópia; 
 
• Fragmentos de Okazaki: 
֍ 100 – 200 nucleotídeos → formados na fita 
descontínua; 
֍ Cada fragmento → 1 primer para ser produzido; 
֍ Encontro de 5’ livre → término da atividade de 
polimerização; 
֍ Processamento: retirada do primer → DNApol 
(reconstituição) → união de 5’-3’ por DNA Ligase; 
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• Fita líder só pussui um primer; 
• Fragmentos de Okazaki – cada um possui um primer; 
• Por que retirar o RNA (primer)? 
֍ Taxa de erro das RNAse: 10^4 contra 10^9 da DNAse 
→ diminuimutações; 
֍ Presença de Uracila no primer; 
֍ Ausência de atividade revisora de RNAse; 
• Reparo replicacional: 
 
֍ Maior afinidade de DNApol pelo nucleotídeo certo 
que pelos errados + Atividade de exonuclease 3’-5’ 
= alta precisão da replicação do DNA; 
Proteínas auxiliadoras da 
replicação 
• Helicase: torção e separação das fitas de DNA → quebra 
de ligações de hidrogênio → ATP; 
 
 
• SBB (Proteínas ligadoras de fita simples): estabilização de 
fita simples e exposição das bases → pareamento; 
 
• Topoisomerase: DNA girasse → relaxamento de 
superlicoidização do DNA → clivagem da ligação 5’-3’ + 
rotação; 
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• Função: deslicoidização e separação da dupla-hélice a 
frente da forquilha → molde de fita simples → DNApol; 
• Complexo de replicação: primossomo ou replissomo → 
alta eficiência; 
֍ Organismos mais complexos: maior a complexidade 
do Replissimo; 
Início da replicação 
• Origem de replicação: local de ligação do complexo e 
formação das forquilhas (abertura da dupla-hélice); 
 
֍ Procariotos X Eucariotos: 
 
Quando ocorre a replicação 
 
Telômeros 
• Definição: final do cromossomo; 
• TTGGGG; mamíferos TTAGGG; 
• Ponta 3’-5’ (fita descontinua) → extremidade fita simples; 
• Quando o primer do último fragmento de Okazaki do 
filamento lagging é removido, não há como preencher o 
espaço por replicação convencional; 
 
• Impossibilidade de fabricar um primer para sintetizar o final; 
• Telomerase: transcriptase reversa; 
 
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Visão geral da replicação do 
DNA 
• Na medida em que a DNA pol III avança, a dupla-hélice é 
continuamente desenrolada à frente da enzima para 
expor comprimentos adicionais de filamentos de DNA 
simples que atuarão como moldes; 
• A DNA pol III atua como a forquilha de replicação, a zona 
na qual a dupla-hélice está desenrolando. Entretanto, tendo 
em vista que a DNA polimerase sempre adiciona 
nucleotídios na extremidade 3′ em crescimento, apenas 
um dos dois filamentos antiparalelos pode atuar como 
molde para a replicação na direção da forquilha de 
replicação → a síntese pode ocorrer de modo contínuo 
e suave na direção da forquilha; o novo filamento no 
sentido líder, é denominado filamento contínuo (no 
sentido líder, leading); 
• A síntese do outro filamento também ocorre na 
extremidade em crescimento 3′, mas essa síntese ocorre 
no sentido “errado”, tendo em vista que, em relação a 
esse filamento, o sentido 5′ para 3′ da síntese está longe 
da forquilha de replicação; 
• A natureza do maquinário de replicação requer que a 
síntese de ambos os filamentos ocorra na região da 
forquilha de replicação; 
• A síntese que se afasta da forquilha de crescimento não 
pode prosseguir por muito tempo. Ela tem de ocorrer em 
segmentos curtos: a polimerase sintetiza um segmento, 
em seguida se movimenta de volta para a extremidade 5′ 
do segmento, onde a forquilha em crescimento expôs o 
novo molde e inicia o processo novamente. Esses trechos 
curtos (1.000 a 2.000 nucleotídios) de DNA recém-
sintetizado são denominados fragmentos de Okazaki; 
• Outro problema na replicação do DNA surge em virtude 
de a DNA polimerase conseguir estender uma cadeia, mas 
não iniciar uma cadeia. Portanto, a síntese do filamento 
contínuo e de cada fragmento de Okazaki tem de ser 
iniciada por um primer, ou uma cadeia curta de 
nucleotídios, que se liga ao filamento-molde para formar 
um segmento de ácido nucleico dúplex; 
• Os primers são sintetizados por um conjunto de proteínas 
denominado primossomo, do qual um componente 
central é uma enzima denominada primase, um tipo de 
RNA polimerase; 
• A primase sintetiza um trecho curto (aproximadamente 8 
a 12 nucleotídios) de RNA complementar a uma região 
específica do cromossomo; 
• No filamento contínuo, é necessário apenas um primer 
inicial, tendo em vista que, após a ação do primer inicial, o 
filamento de DNA em crescimento atua como primer para 
a adição contínua. Entretanto, no filamento descontínuo, 
cada fragmento de Okazaki necessita de seu próprio 
primer; 
• A cadeia de RNA que compõe o primer em seguida é 
estendida como uma cadeia de DNA pela DNA pol III; 
• Uma DNA polimerase diferente, pol I, remove os primers 
de RNA com sua atividade de exonuclease 5′ para 3′ e 
preenche as lacunas com sua atividade de polimerase 3′ 
para 5; 
• Outra enzima, a DNA ligase, une a extremidade 3′ do DNA 
que preencheu a lacuna à extremidade 5′ do fragmento 
de Okazaki dowstream; 
• O novo filamento assim formado é denominado filamento 
descontínuo (lagging); 
• A DNA ligase une os fragmentos do DNA ao catalisar a 
formação de uma ligação fosfodiéster entre a 
extremidade 5′-fosfato de um fragmento e o grupo 3′-
OH adjacente de outro fragmento;