introducao dna replicacao

GenéticaGenética

Profa.: Valeska Silva Lucena

[email protected]

Introdução

• O que é genética?

�È a ciência que estuda asvariações hereditárias dosorganismos vivos.organismos vivos.

�Portanto estuda a constituiçãogenética dos organismos e osmecanismos que podem afetá-lo

Genética: estuda semelhanças e diferenças dos seres vivos

Introdução

• Um ser humano adulto – contém trilhões decélulas – distribuídos em 200 tipos diferentesque realizam complexas operaçõesmoleculares necessárias para a vida.

• Como e onde fica o programa que sustenta avida nestas células?

A informação genética do indivíduo estáarmazenada apenas nos seus núcleos.

CÉLULA

NÚCLEO

CROMOSSOMOS(DNA+PROTEÍNAS)

- Informação das proteínas eRNAs que serão sintetizadas

DNA

Introdução

ORGANISMO

(DNA+PROTEÍNAS) RNAs que serão sintetizadaspelas células do organismo aolongo da sua vida.-Capacidade de se auto-duplicar para originar outrascélulas.

Aplicações do conhecimento genético

• Sabemos que ahiperexpressão do geneGoosecoid resulta emgraves malformações dagraves malformações daregião da cabeça,incluindo duplicações,similares a alguns tiposde gêmeos unidos

• A gastrulação pode serpertubarda poranormalidadesgenéticas e lesõestóxicas: disgenesiatóxicas: disgenesiacaudal, portanto omesodermainsuficiente é formadona região mais caudaldo embrião

BrookeQual a idade de Brooke?

Brooke

3 anos 7 anos

Brooke

17 anos12 anos

Brooke

• Janeiro fez 17 anos é ainda um bebê - umestranho mal que não permite que estamenina se desenvolva e permaneça congeladaa infância.

• Ela ainda tem problemas para se comunicar enão consegue se locomover sozinha.

• Estudos médicos (genéticos e bioquímicos)buscam descobrir alguns mistérios sobre oenvelhecimento

• Brooke nunca foi diagnosticada comoportadora de qualquer síndrome genéticaconhecida ou anomalia cromossômica quepudessem ajudar a explicar o motivo de elanão crescer.

Brooke

não crescer.

Mesmo um estudo do seu DNA não foi capaz eespecificar o motivo pelo qual ela continua ater corpo e aparência de uma criança mesmosendo uma adolescente.

• Ela sobreviveu, a vários problemas: cirurgia paratratar sete úlceras estomacais.

Aos 4 anos de idade, Brooke caiu em uma letargiaque a levou dormir por 14 dias. Médicos, então,

Brooke

que a levou dormir por 14 dias. Médicos, então,diagnosticaram um tumor cerebral.

"Nós estávamos preparados para a sua morte. Foiquando, de repente, o médico nos chamou.Brooke tinha aberto os olhos e estava bem"

Maria Audinete

Maria Audinete

• Tem 30 anos e o comportamento e aaparência de uma criança de 9 meses não falaou se locomove sozinha e ainda possui dentesde leite.

• Portadora de hipotireoidismo (a falta dehormônios tireoidianos pode afetarprofundamente o desenvolvimento do bebê,provocando retardo mental e atraso docrescimento).

Abigail e Brittany

• Raramente, um embrião se divide emgêmeos após o ponto no qual os doisgrupos de células podem sedesenvolver como dois indivíduosresultando nos gêmeos siameses

• Neste caso a separação ocorreu após o• Neste caso a separação ocorreu após onono dia mas antes do décimo quartodia – meninas compartilham órgãoscontendo representantes dos trêsfolhetos embrionários e portantocompartilham o grande fígado, amesma corrente sanguínea e todos osórgão abaixo do umbigo.

Síndrome Riley-Day

• Resulta de uma mutação num gene encarregado dasíntese de um tipo de canal de sódio que se encontraprincipalmente em neurônios encarregados dereceber e transmitir o estímulo doloroso.

• Não sente dor

Costumam morrer maisjovens por traumatismos elesões ao não sentir nenhumdano.

Síndrome Hutchinson-Gilford

• A maioria dos casos são produzidas por mutações de herança autossômica dominante no gene LMNA. Este gene participa na manutenção da estabilidade nuclear e a organização da cromatina.

• Os indivíduos com esta síndromeenvelhecem muito rapidamente desde ainfância.•Perdem o cabelo, adquirem rugas epadecem de um dano severo dasartérias (arteriosclerose) que causa àmorte nos primeiros anos daadolescência.

Hipertricose congênita

• É uma Condiçãodominante ligada ao X, apessoa tem muitosfolículos pilosos extras eportanto cabelo maisabundante e denso.

• O gene mutante éotávico ou seja presentenos seus ancestrais (umaversão deste gene estápresente emchimpanzés).

Eristroblastose fetal e Hidropisia fetal

• A hemólise de tantas células sanguíneas estimula um aumento no número de células sanguíneas fetais: os eritroblastoseritroblastos

• Em alguns casos a anemia torna-se tão grave que ocorre hidropisia fetal (acúmulo de líquido nos tecidos fetais)

• Testes de DNA são arma no combate ao crimee nas dispustas de paternidade.

Planta Transgênica

Evolução do Homem

• Análise da variabilidade genética de linhagensafricanas (caçadores e coletores) revelaram maiordiferença entre suas populações do que entre umafricano e um europeu – Nature (Fev/2010).

Classificação dos distúrbios genéticos

1. Distúrbios monogênicos- são causados por genesmutantes individuais – a mutação pode estar presenteem apenas um cromossomo de um par ou nos dois

Em alguns casos a mutação é no genoma mitocondrial eEm alguns casos a mutação é no genoma mitocondrial enão no nuclear

Eventos raros – mas frequências podem ser de 1 em 500

Estudo população de 1 milhão de crianças nascidas vivas –incidência de distúrbios graves foi de 0,36%

2. Distúrbios cromossômicos – o defeito deve-se a umexcesso ou a uma deficiência de genes contidos emcromossomos inteiros ou segmentos cromossômicos

Ex.: Síndrome de Down – trissomia 21 – embora nenhum


Ex.: Síndrome de Down – trissomia 21 – embora nenhumgene individual do cromossomo seja anormal

Mais comuns – 7: 1000 crianças nascidas vivas

Causa da metade dos abortos espontâneos até o 3º mês.

3. Herança multifatorial – responsável por váriosdistúrbios no desenvolvimento que resultamem má formação congênita


Doença resulta de pequenas variações nosgenes que juntas podem produzir oupredispor a um grave defeito em conjuntocom os fatores ambientais

Estimativas variam – 5 a 60%

Bases cromossômicas da hereditariedade

• A avaliação da importância da genética namedicina requer:

�A compreensão da natureza do materialgenéticogenético

�De como ele é embalado no genoma humano

�De como ele é transmitido de célula para céluladurante a divisão celular e de geração parageração durante durante a reprodução

Bases cromossômicas da hereditariedade

• O genoma humano consiste em grandes quantidadesde ácido desoxirribonucléico (DNA);

• DNA- contém em sua estrutura a informação• DNA- contém em sua estrutura a informaçãogenética necessária para especificar todos osaspectos da embriogênese, do desenvolvimento, docrescimento, do metabolismo e da reprodução.

Ácidos Nucléicos

� Ácidos nucléicos - componentes genéticos dequalquer organismo vivo, sendo responsáveispelo armazenamento e pela transmissão doscaracteres hereditários

� Existem basicamente 2 tipos de ácidos� Existem basicamente 2 tipos de ácidosnucléicos:

• DNA: Armazenamento da informacão genética

• RNA: várias funções

– RNA ribossomal (rRNA)

– RNA mensageiro (mRNA)

– RNA transferência (tRNA)

Constituição:

� Uma molécula de açúcar (pentose) -Desoxirribose

� Base nitrogenada – A, G, T, C

Uma molécula de ácido fosfórico

DNA(ácido desoxirribonucléico)

Unidos por ligação covalente

� Uma molécula de ácido fosfórico

Nucleotídeos

• Bases Nitrogenadas:

Purínicas: Todas são compostas por um anelaromático duplo (anel purina). As principaispresentes nos ácidos nucléicos são:

- Adenina (A) - Guanina (G)

•Bases Nitrogenadas:

Pirimidínica: compostos por um anel heterocíclico. As principais presentes nos ácidos nucléicos são:

- Timina (T) - Citosina (C) - Uracila(U)

Nucleotídeos

Nucleotídeos

• Pentose:

- Ribose -Desoxirribose

Ácido fosfórico – composto de fósforo,oxigênio e hidrogênio (H3PO4). Liga-se apentose por uma ligação fosfodiester nocarbono 5’.

Nucleotídeos

carbono 5’.

Constituição da molécula DNA / RNA

Seqüências de BASES NITROGENADAS

RNADNA

Guanina - CitosinaGuanina - Citosina

Adenina - UracilaAdenina - Timina

RNADNA

DNA x RNA

Diferençasprincipais:

DNA RNA

Pentose Desoxirribose Ribose

Purinas:Adenina Purinas:Adenina eNucleosídeo

Bases nitrogenadas

Purinas:Adenina

e Guanina

Pirimidinas:Citosina e Timina

Purinas:Adenina e

Guanina

Pirimidinas:Citosina e Uracila

EstruturasDuas cadeias Helicoidais

Uma cadeia

FunçãoInformação genética

Síntese de proteínas

� Estrutura do DNA - Watson-Crick - 1953;

� 2 cadeias polinucleotídicas circundam um eixo comum emdupla hélice (anti-paralelas);

� Complementariedade das bases: Regra de Chargaff –igualdade das concentrações de bases.

�A = T

DNA

�A = T�C G

�Eixo externo hidrofílico - desoxirribose + fosfato;

�Interior hidrofóbico - Bases nitrogenadas;

Pontes de hidrogênio

Dúvida???

Pode ocorrer o pareamento de duas bases púricas ou duaspirimídicas?

EX: Adenina + Guanina

Porque não existe espaço suficiente entre os diâmetros dePorque não existe espaço suficiente entre os diâmetros deligação para que duas purinas (2 anéis) se liguem nahélice e representa muito espaço para que duaspirimidinas (1 anel) fiquem próxima o suficiente paraformarem pontes de hidrogênio.

Qual a estrutura do material genético?

• DNA - Estrutura primária – A ordem da base naseqüência polinucleotídica; A seqüência debase do esqueleto pentose-fosfodiéster

• Estrutura secundária– o arranjo ordenadodas fitas de ácidonucléico. O modelo


nucléico. O modeloda dupla hélice daestrutura secundáriaproposta por Watson-Crick, 1953

DNA• Existem 3 estruturas secundárias do DNA

(importante papel na regulação da expressãogenética):

• A forma "B" è descrita por Watson e Crickem 1953, é a forma mais comum; a hélice évoltada para a direita e com 10 resíduos porvolta de 360 graus de hélice;volta de 360 graus de hélice;

• A forma "A" è obtida pela desidrataçãomoderada da forma "B", também é voltadapara a direita, mas possui 11 resíduos porvolta;

• A forma "Z" è A hélice nesta forma é voltadapara a esquerda e contém cerca de 12resíduos por volta.

B, A e Z-DNA

• O B-DNA é o mais frequente;

• As formas de A-DNA e Z-DNA ocorremtanto “in vitro” quanto “in vivo”, porexemplo em humanos;

• Admite-se que o Z-DNA é "silencioso",isto é, não pode ser transcrito;

• A forma A-DNA surge quando a umidaderelativa é reduzida abaixo de 75%, destamaneira a desidratação favorece a formaA.

• Estrutura terciária -

Arranjo tridimensional dos

ácidos nucléicos, também

chamado de super


chamado de super

enrolamento. As proteínas

histonas atuam

firmemente ligadas ao

DNA, tornando-o

condensado.

Condensação do DNA

�O DNA é condensadopara um décimo doseu comprimento.

�A Cromatina é�A Cromatina éacondicionada porProteínas da Famíliadas histonas: H1, H2A,H2B, H3 e H4.

Compactação do DNA

DNA em Dupla hélice

DNA enrola-se duas vezesem torno de oito proteínasem torno de oito proteínashistonas - Nucleossomo

Nucleossomos organizadoscomo um “colar de contas” aolongo do comprimento de cadacromossomo

Compactação do DNA

Durante a mitose acromatina se condensa,cromatina se condensa,seguido por processosadicionais de dobramento ecompactação.

DNA ao Cromossomo

DNANucleossomoHistonas

Solenóide Alças Cromossomo condensado

Elementos funcionais dos cromossomos

• Cromossomos são visíveis em estruturascompactadas durante a meiose

1. Centrômero – DNA repetitivo ~ 170pb -região do cromossomo onde as fibras do fusose prendem

Chamada constrição primária

Composta de heterocromatina

Classificação dos cromossomos segundo a posição do centrômero

• Metacêntrico – centrômerono meio

• Acrocêntrico – centrômero• Acrocêntrico – centrômerofora do centro

• Telocêntrico - centrômero naextremidade – possui apenasum braço

Elementos funcionais dos cromossomos

2. Constrição secundária – satélite – separa otelômero

Telômero – Região final dos cromossomosTelômero – Região final dos cromossomos

Geralmente não são visíveis mais a nível de DNApode se distinguir pela presença de diferentessequências nucleotídicas: Ex.: TTAGGG –humanos.

Telômero

• Desafio ao mecanismo de replicação – cadadivisão células somáticas perdemnucleotídeos desses telômeros – resultandoem cromossomos mais curtos após um tempoem cromossomos mais curtos após um tempo

• Esse problema superado: Enzima telomerase –possui sequências repetidas em tandem quenão codificam DNA ou proteína

Cromossomos humanos

• Cada espécie tem um conjunto cromossômico(Cariótipo) característico em termos denúmero e morfologia;

• Os genes estão em ordem linear ao longo doscromossomos, e cada gene tem uma posiçãoexata ou locus

• Mapa genético – é o mapa de localizaçõescromossômicas dos genes e também écaracterístico de cada espécie

Cromossomos humanos

• Com exceção das células da linhagemgerminativa (n=23), todas as células do nossocorpo são chamadas de somáticas (2n=46).

• Dentre os 23 pares, 22 são similares emhomens e mulheres e são chamadosautossomos e o par restante constitui oscromossomos sexuais: XY

Cromossomos humanos

• Cada cromossomo possui um subgrupo diferentede gene que são dispostos linearmente ao longode seu DNA

• Os membros de um par de cromossomos quepossuem informações genéticas similares, ouseja têm os mesmos genes, são chamados:cromossomos homólogos

• Em um locus específico estes genes podem seridênticos ou ter formas levemente diferentes -

Genoma Humano

Um Cromossomo Grande pode ter até 250 milhões de pb como o cromossomo 1.

Tendência a aumentar quantidade de DNA –1.

Um cromossomo pequeno como o 21 tem 50 milhões de pb.

1

21

quantidade de DNA –proporcional ao aumento da complexidade estrutural do

organismo

Hereditariedade, DNA e gene

• A propriedade fundamental de todos os seresvivos é a habilidade da reprodução

• Todos os organismos herdam de seus pais ainformação genética especificando sua estruturainformação genética especificando sua estruturae função

• Da mesma maneira que uma célula só se originade outra pré-existente, o material genético deveser replicado e passado da célula parental para aprogênie a cada divisão

Replicação do DNA

• Importância – o processo biológicofundamental da reproduçãorequer a transmissão fiel dainformação genética dos pais parainformação genética dos pais paraos filhos

• Portanto a replicação acurada doDNA genômico é essencial para aexistência de todas as células eorganismos

Ciclo celular

O Ciclo celular é regulado por proteínas quinases

• As enzimas chaves que controlam astransições entre os diferentes estádios dociclo-celular e a entrada no ciclo de divisão –proteínas quinases dependentes de ciclinaproteínas quinases dependentes de ciclina(CDKs)

• A atividade CDK pode ser regulada: (1) sínteseou destruição da ciclina e (2) fosforilação edesfoforilação de aminoácidos específicos daproteína CDK

Durante a fase G1 a CDK está na forma inativa

Ela é ativada pela ligação à ciclina

Passando para fase S

No final da fase S – ciclinas são degradadas e CDK fica inativa

Na G2 CDK inativa liga-se a ciclina mitótica – estimulando a mitose

Final da mitose ciclina é degradada entrando na G1

Replicação do DNA� Propriedade do DNA - Replicação ou autoduplicação:capacidade de fazer cópias de si mesmo.

� Ocorre no núcleo celular.

�Processo Semiconservativo

DNA - não é sintetizadoisoladamente com fita livre – masum molde padrão formado poruma fita pré-existente

Replicação do DNAReplicação do DNAsemiconservativa

As origens e a iniciação da Replicação

�A replicação, tanto de DNAsprocarióticos quanto eucarióticos,inicia em uma sequência particularchamada: Origem de replicaçãochamada: Origem de replicação

�Origem de replicação – localespecífico para ligação de proteínasque iniciam o processo de replicação

Replicação do DNA� Em Eucariontes iniciam-se em seqüência

consenso curta composta quase queexclusivamente de pares de base AT.

� Esta proteína iniciadora começa a desenrolaras fita do DNA e recruta as outras proteínasas fita do DNA e recruta as outras proteínasenvolvidas na síntese de DNA

� A zona de replicação é formada quando adupla fita se separa e forma um V (forquilha dereplicação).

Vários pontos de replicação ao mesmo tempo (bolhas de replicação)

Direção da replicação

5’

5’3’

3’

Sentido da replicação

Fitar líder – cresce na direção 5’ 3’, na mesma direção da zonade replicação, sendo sintetizada de forma contínua

Fita secundária – cresce na direção oposta a zona de replicação ede modo descontínuo. Os pequenos fragmentos de DNAcopiados próximo a zona de replicação que servem como elo deligação para formar uma fita única são chamados fragmentos deOkasaki.

Síntese DNA ocorre em sentido contrário nas duas fitas

Proteínas requeridas para separação da dupla fita

� Proteína DnaA – requer a utilização de ATPfazendo com que o DNA se dissolva, separandoa dupla fita;

� Proteína de ligação do DNA de fita simples� Proteína de ligação do DNA de fita simples(SSP) – mantém a fita separada na área daorigem de replicação e protege o DNA dasnucleases;

� Helicases – Enzimas que podem se mover aolongo da fita dupla de DNA utilizando a energiada hidrólise de ATP para separar as duas fitas damolécula;

�Topoisomerases – Catalisam quebras e re-ligaçõesdas fitas de DNA à frente da forquilha de replicação -Não requer ATP;

� Primase – DNA polimerase que sintetiza pequenas

Complexo enzimático da forquilha de replicação

� Primase – DNA polimerase que sintetiza pequenasmoléculas de RNA (com aproximadamente 10nucleotídeos) – iniciadores da fita descontínua;

�DNA ligase – Liga os fragmentos de Okasaki;

mantém a fita separada na área da origem de replicação

separar as duas fitas da molécula

Catalisam quebras e re-ligações das fitas de DNA à frente da forquilha de replicação

Complexo enzimático da forquilha de replicação

� DNA polimerase - Responsável pela adição de nucleotídeos(elongação) e reparo (removendo nucleotídeos errados);

� - São incapazes de quebrar as pontes de hidrogênio que ligamas duas fitas do DNA

� -Requer um modelo ou um primer (segmento de RNAsintetizado pela primase) complementar para iniciação –alongamento

� -Pol I (êta)- Substitui o RNA dos primers por DNA

� - Pol III (sigma) – Síntese de DNA

Replicação do DNA

DNAs polimerases• As células eucarióticas contêm cinco DNA

polimerases clássicas: α, β, γ, δ, ε.

• A polimerase γ está localizada na mitocôndria eé responsável pela replicação do DNAmitocondrial

• As polimerases α, δ e ε apresentam maioratividade em células em divisão

• Já a polimerase β é ativa tanto em células queestão em divisão quanto naquelas que nãoestão, e está relacionada a função de reparo

Freqüência de erros durante a replicação

� Erros eventuais da DNA Polimerase - Mutações –eventos raros - nenhum processo é 100% acurado.

� Ex: Humanos – frequência 1 a cada 50 milhões de� Ex: Humanos – frequência 1 a cada 50 milhões denucleotídeos adicionados a cadeia – cada célula 6bilhões de pb – 120 novas mutações

� Importância das mutações – aumento davariabilidade genética

Mutações mais frequentes

a) Substituição de bases

b) Mutação de sentido errado – novo nucleotídeo altera ocódon- alterando a proteína

c) Mutação sem sentido – novo nucleotídeo muda oc) Mutação sem sentido – novo nucleotídeo muda ocódon para um que especifica parada de síntese (TAA,TAG ou TGA)

d) Mutação silenciosa – não altera o aminoácido

e) Inserções e deleções – base adicionada ou removida –se for gene – muda toda leitura.

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