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Estrutura e funções do DNA e RNA

Prof. Dr. Gabriel Feresingabrielferesin@hotmail.com

HISTÓRICO

Fatores hereditários (Mendel) eram conhecidoscomo estando associados a característicasespecíficas, mas sua natureza física não eracompreendida.

MATERIAL GENÉTICO ???

Frederick Griffith

Fatores – MATERIAL GENÉTICO - (1928)

Linhagem R, não virulenta. Não possui cápsula de proteção e é reconhecida pelo sistema imunológico.

Linhagem S, virulenta. Possui cápsula de polissacarídeos que impede o reconhecimento da bactéria pelo sistema imunológico.

“Princípio Transformante” em Streptococcus pneumoniae

Fatores – MATERIAL GENÉTICO - (1928)

R

S

S morta pelo calor

R + S morta pelo calor

“Princípio Transformante” em Streptococcus pneumoniae

1

2

3

4

Fatores – MATERIAL GENÉTICO - (1928)

O.T. Avery

C. MacLeod

M. McCarty

In:http://www.scienceworld.wolfram.com/ biography

“O DNA é muito simples” (1944)

Avery, MacLeod e McCarty: “Princípio Transformante é

o DNA”

“O DNA é muito simples” (1944)

Martha Chase

Alfred Hershey

In:http://www.scienceworld.wolfram.com/ biography

“O DNA é muito simples” (1952)

“O DNA é muito simples” (1952)

FAGO T2

“O DNA é muito simples” (1952)

O que era inoculado na bactéria?

“O DNA é muito simples” (1952)DNA contém fósforo

(P) e não contém enxofre (S)

Aminoácidos não contém fósforo (P)

mas contém enxofre (S)

“O DNA é muito simples” (1952)

Vírus com proteínas marcadas com 35S

Novos vírus sem sinal de

radioatividade

“O DNA é muito simples” (1952)

Vírus com DNA marcado

com 32P

Novos vírus com DNA marcado

com 32P

Diferenças entre células de procariotos e de eucariotos

Diferenças entre células de procariotos e de eucariotos

Diferenças entre células de procariotos e de eucariotos

Diferenças entre células de procariotos e de eucariotos

Procarioto Eucarioto

Possui uma célula

com seu material genético

Possui várias células e cada uma

com seu material genético com

grande número de DNA e genes.

Não há separação entre

núcleo e citoplasma

Há separação entre núcleo e

citoplasma

Não possui DNA repetitivo Possui DNA repetitivo

Não possui histonas Possui histonas

Estrutura do DNA

Estrutura do DNA

• DNA são polímeros de nucleotídeos• Cada nucleotídeo é constituído de:

1. Uma das quatro bases nitrogenadas(Adenina, Timina, Citosina ou Guanina)

2. Desoxirribose (um açúcar de 5 carbonosou pentose)

3. Um grupo fosfato

Grupo fosfato

H DNA

Desoxirribose

ComposiçãoGeral

Pentose

Base púrica

ou pirimídica

NucleotídeosPentoses

OHOH2C

H

H

HH H

OH

OH

Desoxirribose

1´

5´

4´

3´ 2´

NucleotídeosBases nitrogenadas

Citosina

H

H

N

H

O

N

N

HH

HN

H

O

O

N

H3C H

Timina

Guanina

O

N

N N

H

N

NH

H

HH

Purinas

Pirimidinas

Adenina

N

H

N

H N

H

N

N

H

H

Bases nitrogenadas

Base Adenina (A) Guanina (G) Timina (T) Citosina (C)

Purina/

Pirimidina

Purina Purina Pirimidina Pirimidina

Estrutura

Química

Representação

Simplificada

Nucleotídeos ???

OCH2

H HH H

OH

Ribose

OPP OOP-O

OO O

O-

Fosfato

O-O-

AdeninaNH2

N

H N

H

N

N

H

ααααββββγγγγ

OH

A = T

G ≡≡≡≡ C

Bases são complementares.

Ligações de hidrogênio são formadas entre as bases:

A = T → 2 ligações de hidrogênio

G ≡ C → 3 ligações de hidrogênio

G ≡≡≡≡ C É MAIS ESTÁVEL

Pareamento de Bases

♣1953 – JAMES WATSON e FRANCIS

CRICK

− Propuseram a estrutura do DNA

como dupla hélice.

− Essa Estrutura foi baseada em dois

tipos principais de evidências:

1. Evidência de Chargaff sobre a

concentração das bases de DNA

2. A estrutura proposta a partir de

estudos de cristalografia de raios-X

realizados por Maurice Wilkins e

Rosalind Franklin.

Ganharam o prêmio

Nobel de fisiologia em

1962.

Evidência

de

Chargaff

Evidência dos estudos de cristalografiade raios-X realizados por Wilkins eFranklin:

-O padrão central cruzado indica que amolécula de DNA tem uma estruturahelicoidal, e as bandas em cima eembaixo indicam que as bases estãoperpendiculares ao eixo da moléculacom uma periodicidade de 0,34 nm.

-Estes dados indicaram que o DNA erauma estrutura bifilamentar altamenteordenada com subestruturas repetidasespaçadas em 0,34 nm (distância de umabase a outra)

Griffiths et al., Introdução à Genética, 7a Ed, 2002

Como funciona? (1953)

Rosalind Franklin

DESCOBERTA BIOLÓGICA MAIS IMPORTANTE DO

SÉCULO XX

PRÊMIO NOBEL1962

Sulco

menor

Sulco

maior

Estrutura tridimencional do DNA: 0,34 nm ou 3,4Å (distância de uma base a outra); Diâmetro de 20Å e o comprimento de 10 pares de bases de 34Å ( 1Å=0,1nm)

34Å

• Modelo da dupla fita proposto foi fundamental para acompreensão do mecanismo de transmissão e execução dainformação genética.

• Características da dupla hélice:- Complementariedade: as bases de uma fita são

complementares às bases da outra fita; Esse fato torna oDNA único em armazenar e transmitir a informaçãogenética de geração a geração

- Polaridade química inversa (antiparalelas): As ligaçõesfosfodiéster nos dois filamentos são do carbono 3’ de umnucleotídeo para o carbono 5’ do nucleotídeo adjacente. Umafita temos crescimento 5’ para 3’ (5’P e 3’OH); A fitacomplementar temos crescimento 3’ para 5’ (3’OH e 5’P). Essapolaridade oposta tem papel importante na replicação,transcrição e recombinação do DNA.

3’

5’

5’

3’

DNA

www.dnaftb.org

Ligações Fosfodiéster

Pareamento de fitas de DNA

OH

OH2C

P

O

OO

O

OH2C

P

O

OO

O

OH2C

P

O

OO

OO H2C

P

O

O O

O

O H2C

P

O

O O

O

O H2C

OH

P

O

O O

O

3´

3´

5´

5´

Invertido e

Complementar

• Tipos de ligações no DNA:

- Ligações fosfodiéster entre nucleotídeos

- Ligações covalentes entre a base e o açúcar

- Ligações de hidrogênio entre as basesnitrogenadas

Forma A Forma B Forma Z

Direção

da fita

Direita

Dextrógiro

DireitaDextrógiro

Esquerda

Levógiro

Diâmetro ~ 2,3nm ~ 1,9nm ~ 1,8 nm

Bases por

volta

11 10,5 12

•Há pelo menos três modelos de DNA

propostos: os modelos A, B e Z.

•O DNA B é o mais frequente, mas o

DNA A também é encontrado na célula.

•Admite-se que o DNA Z é

"silencioso", isto é, não pode ser

transcrito.

Forma B do DNA: É a estrutura mais estável em condiçõesfisiológicas (soluções aquosas com baixa concentração de sais,sendo o padrão de referência para o estudo das propriedades doDNA (Modelo Watson e Crick).

Forma A do DNA: Hélice mais larga e o nº de pb por volta dahélice é 11, em vez de 10,5 encontrado na forma B do DNA. Aforma A é favorecida em soluções desprovidas de água.

Forma Z do DNA: A distinção mais óbvia é a rotação da hélicepara esquerda. Há 12 pb por volta da hélice e a estrutura parecemais delgada e alongada. O esqueleto do DNA adquire aparênciade zigue-zague. Trechos de DNA Z podem desempenhar um papelainda não definido na regulação da expressão de alguns genes ouna recombinação genética.

TRÊS REQUISITOS PARA UMA SUBSTÂNCIA HEREDITÁRIA

Funções do material genético:•Função genotípica, a replicação:

O material genético deve estocar a informação genética e

transmitir com precisão esta informação para as futuras

gerações

•Função fenotípica, a expressão gênica:

O material genético deve controlar o desenvolvimento do

fenótipo do organismo

•Função evolutiva, a mutação:

O material genético deve sofrer mudanças para que os

organismos possam se adaptar a modificações no ambiente

Molécula de DNA

ligada às histonas

formando os

nucleossomos

Nucleossomos vão sendo empacotados

produzindo a condensação da cromatina

(solenóides)

Esse condensamento formam alças

Essas alças condensadas formam os cromossomos

Empacotamento do DNA nas células

Compactação do DNA

O DNA está protegido por proteínas histonas

DNA dupla fita

≈ 200 bp

H2B

H2B

H2A

H2A

H4

H4

H3

H3

DNA

Nucleossomos

Nucleossomos formando solenóides

Um ‘loop’

Uma roseta(Seis ‘loops’)

Uma cromátide

Centrômero

Cromossomo metafásico

Grupo fosfato

ouH DNA

Desoxirribose

RNA

Ribose

ComposiçãoGeral

Pentose

Base púrica

ou pirimídica

OH

PENTOSES

RNA

PROPRIEDADES do RNA

1- O RNA é uma cadeira unifilamentar de nucleotídeos.

2- O RNA tem açúcar RIBOSE em seus nucleotídeos.

3- Os nucleotídeos de RNA contêm as bases ADENINA, GUANINA, CITOSINA e URACILA.

4- O RNA podem funcionar como proteínas enzimáticas (RIBOZIMAS)

-Número de fitas: DNA-2 fitas e RNA – 1fita

•Tipos de ligações no RNA:

- Ligações fosfodiéster entre nucleotídeos

- Ligações covalentes entre a base e o açúcar

- Ligações de hidrogênio entre as basesnitrogenadas para formar uma variedade deformas moleculares tridimensionais complexas

3’

5’

5’

3’

DNARNA

DNA versus RNAPentoses

OHOH2C

H

H

HH H

OH

OH

Desoxirribose

1´

5´

4´

3´ 2´

Ribose

OHOH2C

H

OH

HH H

OH

OH

1´

5´

4´

3´ 2´

NucleotídeosBases nitrogenadas

Citosina

H

H

N

H

O

N

N

HH

HN

H

O

O

N

H H

Uracila

Guanina

O

N

N N

H

N

NH

H

HH

Purinas

Pirimidinas

Adenina

N

H

N

H N

H

N

N

H

H

Fita de RNA

OH

OH2C

P

O

OO

O

OH2C

P

O

OO

O

OH2C

P

O

OO

O

3´

5´

Diferenças bioquímicas de DNA e RNA

RNA DNA

Açúcar Ribose Desoxirribose

Bases nitrogenadas

Guanina (G)Citosina (C)Adenina (A)Uracila (U)

Guanina (G)Citosina (C)Adenina (A)Timina (T)

Número de fitasGeralmente

simplesDupla

Tipos de RNAs produzidos pelas células

Tipos de RNA

Função

mRNAs Codificam proteínas

rRNAs Formam a estrutura básica dos ribossomos e

catalisam a síntese proteica

tRNAs Agem como adaptadores entre o mRNA e os

aminoácidos na síntese de proteínas

snRNAs Atuam em diversos processos nucleares

incluindo o processamento do pré mRNA

3’mRNA

5’

rRNA

Principais tipos de RNA

Aminoácido

5´3´

tRNA

Anticódon

Perguntas Fundamentais1- Antes da descoberta da dupla hélice, qual era a evidência experimental de que o DNA fosse o material genético ?

Perguntas Fundamentais2- Que dados foram usados para deduzir o modelo de dupla hélice de DNA ?

Perguntas Fundamentais3- Como a estrutura do RNA difere daquela do DNA?

Perguntas Fundamentais4- Quais são os diferentes tipos de RNA em uma célula?