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1 Laís Flauzino | BIOLOGIA MOLECULAR | 4°P MEDICINA UniRV Ácidos Nucleicos E Cromossomos Os ácidos nucleicos transportam as informações genéticas. Até 1940, sabia-se que os cromossomos possuíam um componente molecular característico – o DNA. Mas não havia como demonstrar se o DNA carregava a informação genética ou não. Nessa época, supunha-se que os genes eram compostos por aminoácidos porque pareciam ser as únicas moléculas complexas para transportar as informações genéticas. Hipótese Um Gene – Uma Enzima: ✓ Abordaram a natureza do gene investigando como eles atuam nas células. ✓ Pesquisas sustentam a hipótese de que os genes atuavam controlando a síntese de enzimas específicas. ✓ Na época, todas as enzimas conhecidas eram proteínas (hoje sabe-se que o RNA também pode atuar como enzima) e, por isso, o problema era como os genes participavam da síntese de proteínas. ✓ A hipótese mais simples sugeria que a informação genética contida nos genes determinava a ordem dos 20 diferentes aminoácidos contidos nas cadeias polipeptídicas das proteínas. ✓ Contudo, não parecia possível que as proteínas realizassem múltiplas tarefas. ✓ Na verdade, todo o conhecimento daquela época apontava para a conclusão oposta de uma proteína, uma função. O DNA pode transportar a especif ic idade genética: ✓ Muitos bioquímicos acreditavam que os genes eram proteínas. ✓ Mas em 1944, após muitas pesquisas, Avery e o Rockefeller Institute revelaram que o princípio ativo genético era o DNA. ✓ Fizeram experimentos mostrando que a atividade transformadora de suas frações ativas altamente purificadas era destruída pela desoxirribonuclease, uma enzima recém- purificada que degradava especificamente moléculas de DNA, reduzindo-as a seus blocos, os nucleotídeos, mas que não exerce nenhum efeito sobre a integridade de moléculas de proteína ou RNA. ✓ Em contrapartida, a adição de ribonuclease – que degrada RNA – ou de várias enzimas proteolíticas – que degradam proteínas – não apresentava qualquer influência sobre a atividade transformadora. A dupla-hél ice: ✓ Os cientistas queriam resolver o padrão de difração por raios X do DNA. ✓ Em 1950, fotografias sugeriam que a estrutura básica do DNA era helicoidal e que ela era composta por mais de uma cadeia polinucleotídica – duas ou três. ✓ Em 1952, químicos orgânicos mostraram que os nucleotídeos do DNA eram unidos por ligações fosfodiéster 3’-5’. ✓ A solução correta – uma dupla-hélice complementar – foi encontrada em 1953. ✓ Essa estrutura apoiou-se na dedução da configuração estereoquímica mais favorável compatível com os dados de difração de raios X de Wilkins e Franklin. ✓ Na dupla-hélice, as duas cadeias do DNA são mantidas unidas por ligações de hidrogênio – ligação química não covalente fraca – entre os pares de bases das fitas opostas. O pareamento de bases é muito específ ico: • Adenina (purina) pareia apenas com a Timina (pirimidina). • Guanina (purina) pareia apenas com a Citosina (pirimidina). Na dupla-hélice de DNA, o número de resíduos A deve ser igual ao número de resíduos T; o número de G deve ser igual ao número de C. A sequência de bases das duas cadeias de uma determinada dupla-hélice apresenta uma relação de complementaridade. Logo, a sequência de qualquer 2 Laís Flauzino | BIOLOGIA MOLECULAR | 4°P MEDICINA UniRV fita de DNA define, exatamente, a sequência de sua fita complementar. As duas fitas entrelaçadas de estruturas complementares sugeriam que uma fita servia como a base específica (molde) sobre a qual a outra fita era sintetizada. Estudos mostraram que as proporções exatas dos 4 nucleotídeos variam de uma espécie para outra. Ou seja, é o arranjo preciso dos nucleotídeos em uma molécula de DNA que confere sua especificidade genética. Pol imerases que sintetizam o DNA : Percebeu-se que era necessária uma enzima polimerizadora específica para catalisar a ligação dos blocos que compõem o DNA. Identificaram um único polipeptídeo – a DNA- polimerase I (DNA Pol I), capaz de catalisar a síntese de novas fitas de DNA. ✓ A DNA Pol I promove a união dos nucleotídeos precursores por meio de ligações fosfodiéster 3’- 5’. ✓ Ela atua apenas na presença de DNA, o qual é necessário para ditar a ordem dos quatro nucleotídeos no produto polinucleotídico. (ela depende de um molde de DNA para determinar a sequência do DNA que ela está sintetizando). Não há dúvida de que o DNA é o molde que promove sua própria formação. 3 Laís Flauzino | BIOLOGIA MOLECULAR | 4°P MEDICINA UniRV Separação das f itas durante a repl icação do DNA: Pesquisadores separaram as moléculas-filhas de DNA mostrando que as duas fitas da dupla-hélice serão permanentemente separadas uma da outra durante a replicação do DNA. A replicação do DNA é um processo semiconservativo no qual as fitas da dupla-hélice permanecem intactas (conservadas) durante o processo de replicação que distribui uma fita parental para cada uma das duas moléculas-filhas (por isso semiconservativa). Existiam dois outros modelos que foram derrubados: • Modelo conservativo: sugeria que ambas as fitas parentais permaneciam jutas e as duas fitas novas de DNA formariam uma molécula de DNA inteiramente nova. • Modelo dispersivo: sugeria que as fitas de DNA eram quebradas frequentemente a cada 10 pares de bases utilizadas para iniciar a síntese de regiões de DNA também curtas. Os fragmentos de DNA seriam ligados subsequentemente formando as fitas de DNA completas. Esse modelo originaria fitas de DNA compostas tanto por DNA parental como por DNA novo. Definição da informação genética do DNA: A informação genética do DNA é definida pela sequência de seus quatro nucleotídeos. A principal preocupação dos geneticistas moleculares era sobre como a informação genética do DNA atuava para ordenar os aminoácidos durante a síntese proteica. Como todas as cadeias de DNA eram capazes de formar dupla-hélice, a essência de sua especificidade genética deveria residir nas sequências lineares de seus quatro nucleotídeos. O DNA não pode ser o molde que ordena diretamente os aminoácidos durante a síntese proteica: Embora o DNA tenha a informação para o sequenciamento dos aminoácidos, estava claro que a dupla-hélice não poderia ser o molde para a síntese proteica – estudos mostraram que a síntese proteica ocorria no citoplasma (em células eucariotas), ou seja, onde não havia DNA cromossômico, excluindo o papel direto do DNA neste processo. Por isso, precisava existir uma segunda molécula portadora de informações. Essa molécula seria transportada para o citoplasma para atuar como molde na síntese proteica. Estudos demonstraram que o RNA se localizava basicamente no citoplasma e a partir daí imaginaram que fitas simples de DNA atuavam como moldes para cadeias complementares de RNA, quando não estavam servindo como molde para as fitas complementares de DNA. RNA é semelhante ao DNA: O RNA também é uma molécula longa e não ramificada; com 4 tipos de nucleotídeos unidos por ligações fosfodiéster 3’-5’. 4 Laís Flauzino | BIOLOGIA MOLECULAR | 4°P MEDICINA UniRV Diferenças entre RNA e DNA: ✓ Modificação no componente açúcar: DNA é a desoxirribose e o RNA contém ribose – idêntica a desoxirribose exceto pela presença de um grupo hidroxila (OH) extra no carbono 2’. ✓ O RNA contém a pirimidina uracila (similar a timina) no lugar da timina do DNA. Apesar dessas diferenças, os polirribonucletídeos podem formar hélices complementares como a dupla- hélice do DNA. O RNA é encontrado normalmente como uma molécula de fita simples. Caso o RNA forme hélices de dupla-fita, é provável que essas sejam compostas por duas partes da mesma molécula de RNA de fita simples. O dogma central: “o DNA cromossômico funcionava como molde para a síntese de moléculas de RNA, as quais, subsequentemente, deslocavam-se parao citoplasma e determinavam a sequência dos aminoácidos nas proteínas.” ✓ A seta circundando o DNA significa que o DNA é o molde para a sua própria replicação. ✓ A seta entre o DNA e o RNA indica que a síntese de RNA (transcrição) é feita a partir de um molde de DNA. ✓ A síntese de proteínas (tradução) é coordenada por um molde de RNA. Nem se imaginava na época que o DNA pudesse ser sintetizado a partir de um molde de RNA. A descoberta do RNA transportador (tRNA): A elucidação do processo de síntese proteica necessitou do desenvolvimento de extratos livres de células, capazes de gerar proteínas a partir de aminoácidos precursores com o direcionamento de moléculas de RNA fornecidas. Os ribossomos – pequenas partículas contendo RNA no citoplasma de todas as células e ativamente envolvidas na síntese proteica – foram identificados como o sítio celular de síntese proteica. Mas antes de sua incorporação às proteínas, os aminoácidos são primeiramente ligados a moléculas de RNA transportadores. Os tRNA correspondem a 10% de todo o conteúdo de RNA em uma célula. Cada tRNA contém uma sequência de bases adjacentes (anticódon) que se liga especificamente a sequências sucessivas de bases (códons) sobre o molde de RNA, durante a síntese proteica. Imaginou-se que o RNA ribossomal (rRNA) seria o molde capaz de direcionar a ordem dos aminoácidos. Mas após observações, constatou-se que possuem muitas semelhanças que impediria a formação de diferentes moldes de RNA produzidos a partir de um grande número de genes diferentes. Portanto, nenhum dos rRNAs apresentava características de um molde de RNA. A descoberta do RNA mensageiro (mRNA): O RNA de T4 ordena os aminoácidos e serve como molde de RNA para a síntese proteica – após se ligar aos ribossomos já existentes, o RNA de T4 se desloca através de sua superfície, posicionando suas bases de modo que possam se ligar aos tRNA-aminoácidos precursores apropriados para a síntese proteica. Visto que essa molécula carreia a informação existente no DNA até os ribossomos, locais da síntese proteica, ela é denominada RNA mensageiro (mRNA). ✓ Apenas uma pequena porcentagem do RNA celular total é mRNA. ✓ Esse RNA apresenta grande variação de tamanho e a composição nucleotídica necessária para codificar as várias diferentes proteínas encontradas em uma determinada célula. ✓ Apenas uma porção do mRNA está ligada em um determinado momento a um ribossomo, por isso, uma única molécula de mRNA pode ser lida simultaneamente por vários ribossomos. ✓ A maioria dos ribossomos é encontrada como parte de polirribossomos – conjuntos de ribossomos traduzindo o mesmo mRNA. 5 Laís Flauzino | BIOLOGIA MOLECULAR | 4°P MEDICINA UniRV Síntese enzimática de RNA sobre moldes de DNA: RNA-polimerases: enzima que sintetiza/transcreve RNA a partir de moldes de DNA. ✓ Atuam somente na presença de DNA – DNA serve como molde para a síntese de RNA de fita simples ✓ Utilizam os nucleotídeos ATP, GTP, CTP e UTP como precursores. ✓ Fazem o RNA utilizar os segmentos apropriados do DNA cromossômico como seus moldes. Fig: síntese enzimática de RNA sobre um molde de DNA, catalisada pela RNA-polimerase. O DNA posiciona os ribonucleotídeos precursores – as bases de RNA varia em função da adição de moléculas de DNA com proporções variáveis de AT/GC. Em cada síntese enzimática, a razão AU/GC do RNA era aproximadamente similar à razão AT/GC do DNA. ✓ Durante a transcrição, somente uma das duas fitas de DNA é utilizada como molde para a síntese do RNA – as mensagens transportadas pelas duas fitas complementares codificam polipeptídeos diferentes. ✓ A síntese de RNA sempre inicia na extremidade 5’ e termina na extremidade 3’ do nucleotídeo. ✓ O mRNA é sintetizado no núcleo e depois esse RNA já deixa o núcleo sendo observado no citoplasma. Fig: demonstração de que o RNA é sintetizado no núcleo e transportado para o citoplasma. 6 Laís Flauzino | BIOLOGIA MOLECULAR | 4°P MEDICINA UniRV Estabelecimento do código genético: Existem 20 aminoácidos e apenas 4 bases. Por isso, trincas de nucleotídeos ao longo de uma cadeia de DNA codifica aminoácidos sucessivos ao longo de determinada cadeia polipeptídica. • grupos de 3 nucleotídeos são usados para especificar aminoácidos individuais. • Há exata correspondência entre grupos específicos de três bases (códons) e aminoácidos específicos. • A maioria dos aminoácidos são codificadas por mais de uma trinca de nucleotídeos. • Os grupos de nucleotídeos UUU, assim, devem especificar fenilalanina. Dos 64 códons possíveis (4 x 4 x 4), 61 são utilizados para especificar os 20 aminoácidos que compõem as proteínas, e três são utilizados como sinais para a terminação da cadeia. Estabelecimento da direção da síntese proteica : Como uma cadeia polinucleotídica comanda a síntese de um polipeptídeo? As cadeias polinucleotídicas (DNA e RNA) são sintetizadas por adição à extremidade 3’ da cadeia crescente (crescimento na direção 5’->3’). E quanto à cadeia polipeptídica em crescimento? Ela é montada na direção aminoterminal para carboxiterminal, ou na direção oposta? A síntese proteica ocorre na direção da extremidade amino para a extremidade carboxiterminal, ou seja, novos aminoácidos são adicionados à extremidade carboxila da cadeia polipeptídica crescente. Sinais de iníc io e de término: ✓ Também são codificados no DNA. ✓ A tradução inicia e termina em posições internas do mRNA, por isso, deve haver sinais no DNA (e nos mRNAs produzidos) para iniciar e terminar a tradução. ✓ Códons sem sentido: códons que não promovem a adição de aminoácidos específicos. São eles: UAA, UAG e UGA. ✓ Mais tarde foi descoberto que esses códons atuam como sinais de parada da tradução (códons de terminação). ✓ Todas as cadeias polipeptídicas são iniciadas pelo aminoácido metionina, mas a trinca (AUG) que codifica essas metioninas iniciais também codifica os resíduos de metionina localizados em posições internas da proteína. ✓ A posição do AUG em relação ao início do mRNA é o determinante essencial, com o primeiro AUG sempre sendo selecionado como o sítio de início da tradução. A Era da Genômica: ✓ A matriz genética representada pela sequência nucleotídica poderia determinar o fenótipo. ✓ Ao comparar as sequencias de aminoácidos preditas codificadas por genes semelhantes de diferentes organismos, pode-se frequentemente identificar regiões importantes de uma proteína. ✓ A comparação de diferentes genomas também pode oferecer informações importantes a respeito de sequencias de DNA que não codificam proteínas. ✓ A identificação de sequencias que dirigem a expressão gênica, a replicação do DNA, a segregação cromossômica e a recombinação pode ser facilitada pela comparação de sequencias genômicas. ✓ A genômica comparativa entre diferentes indivíduos do mesmo organismo tem o potencial de identificar mutações que levam a doenças. Referência: Watson Biologia Molecular do Gene 7ed cap 2. 7 Laís Flauzino | BIOLOGIA MOLECULAR | 4°P MEDICINA UniRV A Estrutura do DNA ✓ O DNA é a molécula genética primordial que contém toda a informação hereditária nos cromossomos. ✓ Os átomos do DNA são mantidos unidos por ligações covalentes. ✓ A estrutura fundamental do DNA é uma dupla- hélice. Todos os genes apresentam basicamente a mesma forma tridimensional. ✓ As diferenças entre dois genes encontram-se na ordem e no número de seus quatro nucleotídeos constituintes ao longo das fitas complementares. ✓ A orientação precisa dos pares de bases varia levemente para cada par de base, influenciada pela sequência local de DNA. ✓ Não existe uma estrutura genérica para o DNA. Estrutura do DNA: O DNA é composto por duas cadeias polinucleotídicas enroladas uma ao redor da outra na forma de uma dupla-hélice. O esqueletode cada fita da hélice é composto por resíduos alternados de açúcar e fosfato; as bases projetam-se para o interior, mas estão acessíveis através das fendas maior e menor. O Nucleotídeo: Consiste em um fosfato ligado a um açúcar, conhecido como 2’-desoxirribose, ao qual uma base está ligada. ✓ O açúcar é chamado de 2’-desoxirribose porque não possui um grupo hidroxila na posição 2’ (apenas dois hidrogênios). ✓ As posições no açúcar são designadas com apóstrofos, para distingui-las das posições das bases. ✓ Apenas o açúcar e a base, ligados, são chamados de nucleosídeos. ✓ A adição de um grupo fosfato (ou mais) a um nucleosídeo dá origem a um nucleotídeo. ✓ Assim, um nucleotídeo é formado por uma ligação glicosídica entre a base o açúcar, e uma ligação fosfoéster, entre o açúcar e o ácido fosfórico. Fig: formação de nucleotídeo pela remoção da água. Os números dos átomos de carbono na 2’- desoxirribose estão marcados em vermelho. Os nucleotídeos são ligados entre si nas cadeias polinucleotídicas por meio do grupo 3’-hidrolixa da 2’- desoxirribose de um nucleotídeo e o fosfato ligado ao grupo 5’-hidroxila do outro nucleotídeo. É uma ligação fosfodiéster. ✓ As ligações fosfodiéster criam o esqueleto repetitivo de açúcar-fosfato da cadeia polinucleotídica, uma característica regular do DNA. ✓ A ordem das bases ao longo da cadeia polinucleotídica é irregular. ✓ Essa irregularidade, junto com o comprimento extenso, constituem a base do enorme conteúdo informacional do DNA. ✓ As cadeias de DNA apresentam um grupo 5’- fosfato ou um grupo 5’-hidroxila livre em uma extremidade, e um grupo 3’-fosfato ou 3-‘hidroxila livre na outra extremidade. 8 Laís Flauzino | BIOLOGIA MOLECULAR | 4°P MEDICINA UniRV ✓ Convencionou-se escrever as sequencias de DNA da extremidade 5’ (à esquerda) para a extremidade 3’, geralmente com um 5’-fosfato e uma 3’-hidroxila. As Bases: Cada base apresenta uma forma tautomérica preferencial. As bases do DNA são anéis heterocíclicos planos, compostos por átomos de carbono e hidrogênio. Classificam-se em dois tipos: • Purinas: Adenina e Guanina – derivam da estrutura de dois anéis. • Pirimidinas: Citosina e Timina – são variações da estrutura de um único anel. Fig: as linhas pontilhadas indicam os sítios de ligação das bases aos açúcares. Cada uma das bases existe em dois estados tautométricos alternativos, os quais estão em equilíbrio entre si. A capacidade de formar tautômeros alternativos é uma frequente fonte de erros durante a síntese do DNA. Dupla-hél ice: ✓ As duas fitas da dupla-hélice são enroladas uma na outra em orientação antiparalela (oposta). ✓ A orientação 5’-3’ de uma cadeia é antiparalela à orientação 5’-3’ da outra fita. ✓ As duas cadeias interagem uma com a outra pelo pareamento entre as bases: a adenina de uma cadeia pareia com a timina da outra cadeia e a guanina pareia com a citosina da outra cadeia. ✓ A orientação antiparalela da dupla-hélice é uma consequência estereoquímica do modo pelo qual a adenina e a timina, e a guanina e a citosina, pareiam umas com as outras. ✓ O pareamento entre a adenina e a timina, e entre a guanina e a citosina, resulta em uma relação de complementaridade entre a sequência das bases nas duas cadeias entrelaçadas e fornece ao DNA seu caráter autocodificador. ✓ Um par de bases G:C possui três ligações de hidrogênio. ✓ Os dois pares de bases apresentam exatamente a mesma geometria; a presença de um par de bases A:T ou um G:C entre os dois açúcares não perturba a disposição dos açúcares, porque a distância entre os pontos de ligação do açúcar é a mesma para ambos os pares de bases. ✓ As ligações de hidrogênio entre as bases complementares são essenciais para dupla-hélice, contribuindo para sua estabilidade termodinâmica e para a especificidade do pareamento de bases. ✓ As bases são moléculas planares, relativamente insolúveis em água, e tendem a se empilhar umas sobre as outras, aproximadamente em posição perpendicular à direção do eixo helicoidal. ✓ A formação de ligações de hidrogênio é importante para a especificidade do pareamento de bases. ✓ As vezes, algumas bases podem projetar-se para fora da dupla-hélice em um fenômeno conhecido como deslocamento de base. Enzimas que metilam bases ou removem bases danificadas atuam sobre uma base em uma configuração extra-helicoidal, possibilitando o encaixe da base na fenda catalítica da enzima. ✓ A dupla-hélice possui fendas menor e maior: À medida que mais pares de bases se empilham uns sobre os outros, o ângulo mais estreito entre os açúcares em uma das extremidades dos pares de bases gera uma fenda menor, e o ângulo mais aberto, na outra extremidade, gera uma fenda maior. A fenda maior é rica em informação química. 9 Laís Flauzino | BIOLOGIA MOLECULAR | 4°P MEDICINA UniRV ✓ A dupla-hélice existe em múltiplas conformações. ✓ O DNA que contém resíduos de purinas e de pirimidinas alternados pode formar hélices voltadas para a esquerda (levogira) e hélices voltadas para a direita (dextrogira). As fitas do DNA podem ser separadas (desnaturadas) e reassociadas: ✓ As duas fitas da dupla-hélice são mantidas unidas por forças relativamente fracas (não covalentes). ✓ As fitas da dupla-hélice podem ser separadas quando uma solução de DNA é aquecida acima de temperaturas fisiológicas (~100°C) ou sob condições de pH elevado (desnaturação). ✓ A separação completa das fitas de DNA por desnaturação é reversível. Topologia do DNA: Os nucleossomos introduzem superenrolamento negativo nos eucariotos: O DNA do núcleo das células eucarióticas está compactado em pequenas partículas, os nucleossomos, nos quais quase duas voltas de dupla- hélice são enroladas ao redor de uma estrutura proteica. As enzimas topoisomerases alteram o DNA por meio da introdução de quebras transientes de fica simples ou de dupla-fita no DNA. Topoisomerase tipo II: ✓ Alteram o número de ligação por um fator de dois. ✓ Promovem quebras temporárias na dupla-fita de DNA. ✓ Necessita de energia da hidrólise do ATP para atuar. Topoisomerase tipo I: ✓ Alteram o número de ligação do DNA em um fator de um. ✓ Promovem quebras temporárias de fita simples de DNA. ✓ Não necessitam de ATP. As topoisomerases devem clivar uma fita do DNA (ou as duas fitas) e religar a fita clivada (ou as fitas). As topoisomerases são capazes de promover tanto a clivagem como a religação do DNA sem a assistência de outras proteínas ou cofatores de alta energia porque utilizam um mecanismo intermediário covalente, a tirosina-DNA. As topoisomerases formam uma ponte enzimática e passam segmentos de DNA de um lado para outro. Referência: Watson Biologia Molecular do Gene 7ed cap 4.
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