Histórico, estrutura química e processos biológicos correlatos

O que é o material hereditário?

Apos a constatação da existência de fatores hereditários por Gregor Mendel, muito se pesquisou para tentar entender a natureza desses fatores

Modelo Watson e Crick, da dupla hélice

Fevereiro de 1953

Abril de 1953

1865

Descobrimento do DNA por Johan Miescher

1869

1928

Avery, MacLeod e McCarty confirmam o principio de Griffith

1944

1952

1952

Estrutura química do material genético

A fotografia 51, capturada por Rosalind Franklin, foi apresentada a Watson e Crick por Maurice Wilkins.

Estrutura química do material genético

DNA e RNA são ácidos nucleicos, ou seja, polímeros de nucleotídeos. Sendo assim, como é composto um nucleotídeo?

Grupo Fosfato

Pentose

Base Nitrogenada

Nucleosídeo

Estrutura química do material genético

Grupo Fosfato

O-

-O

O-

P

O

R

Estrutura química do material genético

Pentose (açúcar de cinco carbonos)

Pode ser classificado em:

Ribose (compõe o RNA)

Desoxirribose (compõe o DNA)

Estrutura química do material genético

Bases Nitrogenadas

Região diferencial dos nucleotídeos.

Estrutura química do material genético

Bases Nitrogenadas:

Regras de Chargaff

Erwin Chargaff

1. Proporção de T = Proporção de A
2. Proporção de C = Proporção de G
3. Purinas  (A + G) = Pirimidinas (T + C)
4. A + T = G + C

Estrutura química do material genético

Modelo da dupla-hélice de DNA

Características:

• Dextrógira (gira em sentido horário)
• As fitas se enrolam em torno de um eixo central
• As bases nitrogenadas se voltam para dentro, enquanto as pentoses e os grupamentos fosfato formam um arcabouço de açúcar-fosfato
• Fitas se organizam de forma antiparalela
• Bases nitrogenadas interagem entre sim de forma especifica (A = T, C ≡ G)
• Capacidade de replicação

Estrutura química do material genético

RNA

Características:

• Usualmente composto por fita simples (pode formar fita dupla)
• Podem cumprir função informacional, estrutural e até enzimática
• Possuem Uracila como base complementar a Adenina (ao invés da Timina)

Estrutura química do material genético

*desoxirribose

Dogma central da biologia molecular

Replicação

Obs.: Cabe ressaltar a existência e importância de fenômenos como a replicação de RNA e a transcrição reversa

Replicação: processo de duplicação da molécula de DNA a partir de uma fita molde.

Transcrição: processo de produção de uma fita de RNA a partir do DNA.

Tradução: processo de síntese proteica a partir de uma fita informacional de RNA, o RNAm (mensageiro).

Replicação do DNA

Processo a partir do qual o DNA consegue se duplicar

​Considerações gerais:

• Semiconservativa (cada molécula de DNA produzida possui uma fita molécula "antiga")
• Baseia-se no principio da complementaridade das bases
• Bidirecional (com exceção de algumas bactérias e vírus)

Replicação do DNA

Origem de replicação

a.

b.

Replicação do DNA

A base para a replicação é o pareamento complementar de bases!

DNA polimerase

DNA polimerase: enzima que participa da polimerização do DNA

Catalisa a adição de nucleotídeos a extremidade 3' de uma fita de DNA

A polimerização ocorre no sentido 5' → 3'

Replicação do DNA

Alongamento ocorre no sentido 5' → 3'

Síntese contínua (fita líder ou "leading strand") e descontínua (fita tardia ou "lagging strand").

Replicação do DNA

Visão geral do processo de replicação do DNA

Helicase: Enzima responsável por desenrolar a fita dupla de DNA.

Proteínas SSB: "Single-strand binding"; protege a fita simples e mantem o DNA desenrolado.

DNA pol: DNA polimerase já falada anteriormente.

Primase: A DNA polimerase depende de uma extremidade 3' para cumprir sua função. A primase sintetiza um "primer" de RNA para suprir essa necessidade.

DNA ligase: Une as extremidades dos fragmentos de Okazaki ao fim do processo.

Replicação do DNA

Fragmentos de Okazaki

Reiji Okazaki

• Sequencia curta de nucleotídeos sintetizada durante a replicação descontinua
• Sintetizados somente no sentido 5' → 3'

Replicação do DNA

Contextualização: Polymerase Chain Reaction (PCR)

Transcrição

Conceitos gerais

Gene → sequencia de DNA que codifica um produto funcional.

Expressão gênica → é o processo pelo qual a informação hereditária contida em um gene é utilizada de modo a formar um produto gênico funcional.

A partir de um mesmo DNA, podemos ter diferentes fenótipos (como nos diferentes tecidos do corpo). Isso é possível pois células diferentes apresentam expressões gênicas diferentes.

Genes Housekeeping → conjunto de genes necessários para a sobrevivência celular, tipicamente expressos em todas as células de um organismo.

Transcrição → processo pelo qual uma molécula de RNA é sintetizada a partir de uma sequência de DNA. Baseia-se na complementaridade de bases e no reconhecimento especifico de sequencias de nucleotídeos por proteínas.

Transcrição

Estrutura de um Gene

- Região promotora (promoter): indica onde a RNA polimerase deve ligar-se para iniciar a transcrição

- Regiões codificadoras (exons)

- Regiões não-codificadoras (introns)

Transcrição

Características do RNA

Açúcar → ribose

Bases nitrogenadas → Adenina, Guanina, Citosina e Uracila

Tipicamente encontrados em cadeia simples, mas podem formar cadeias duplas

Podem cumprir diversas funções:

- RNAm: informacional

- RNAr: estrutural e catalítica

- MicroRNA: regulação da expressão genica

- RNAt: transportadora

Transcrição

Eucariotos vs Procariotos

Procariotos e eucariotos

Iniciação

Alongamento

Terminação

Apenas eucariotos

Processamento do transcrito primário

Transcrição

Etapas da transcrição

Iniciação: reconhecimento de uma região especifica (promoter) do DNA pela enzima RNA polimerase.

Alongamento: incorporação sucessiva de ribonucleotídeos a cadeia de RNA em crescimento.

​Terminação: reconhecimento de uma região especifica do DNA que indica o termino da transcrição

Transcrição

Apenas uma fita do DNA é usada como molde para a transcrição de um gene (5' → 3')

(5') C G C T A T A G C G T T T (3') - Fita de DNA não molde (senso/codificadora)

(3') G C G A T A T C G C A A A (5') - Fita de DNA molde (antissenso/não-codificadora)

(5') C G C U A U A G C G U U U (3') - Transcrito de RNA (igual ao DNA não molde, T→U)

Transcrição

Processamento do transcrito primário

Splicing: remoção dos introns e junção dos exons. Ocorre somente em eucariotos, uma vez que procariotos não possuem introns em seus genes.

Splicing alternativo: combinações diferentes de exons de modo a possibilitar a produção de varias proteínas a partir de um único gene.

Tradução

Conceitos gerais

Tradução: decodificação de uma molécula de RNAm para especificar a síntese de polipeptídeos.

Proteína: polímero de aminoácidos, segundo principal componente das células.

Código genético: código que relaciona aminoácidos específicos a códons.

Códon: sequencia de 3 nucleotídeos presentes no RNAm que juntos codificam um aminoácido.

Tradução

O Código Genético

- Constituído por trincas de nucleotídeos (Códons).

- Degenerado: diferentes códons podem codificar um mesmo aminoácido.

- Universal: comum a quase todos os seres vivos.

Tradução

Hipótese de Wobble

Afirma que o terceiro nucleotídeo da trinca não interage tao fortemente com o anticódon (trinca do RNAt), sendo uma das possíveis explicações para o código genético degenerado

Como podemos perceber, o terceiro nucleotídeo raramente é um fator determinante na codificação de um aminoácido

Tradução

O maquinário da tradução

RNAm

- Produto da transcrição

- Codifica a sequencia de aminoácidos a ser traduzida

RNAt

- Faz o transporte dos aminoácidos

- Realiza interações códon/anticódon

RNAr

- Cumpre função estrutural e catalítica no ribossomo

- Na imagem, o RNA seria a parte bege

Tradução

O maquinário da tradução

Tradução

Etapas da síntese proteica

- Iniciação: acoplamento das duas subunidades do ribossomo no start codon (AUG)

- Alongamento: adição sequencial de aminoácidos a cadeia polipeptídica

- Término: identificação do stop codon e desmembramento do aparato de tradução

Eucariotos vs Procariotos

Eucariotos vs Procariotos

- Material genético no núcleo

- DNA filamentar

- Varias origens de replicação

- Transcrição e tradução ocorrem em momentos e ambientes separados

- O transcrito primário é processado antes de se tornar RNAm

- Material genético no citoplasma

- DNA circular

- Uma unica origem de replicação

- Transcrição e tradução ocorrem simultaneamente

- O produto da transcrição não sofre pós-processamento