Estrutura dos Ácidos Nucléicos

Apresentação em tema: "Estrutura dos Ácidos Nucléicos"— Transcrição da apresentação:

1 Estrutura dos Ácidos Nucléicos
Aspectos Moleculares & Enfoques Conceituais

2

3 HISTÓRICO DA BIOLOGIA MOLECULAR
1866: Gregor Mendel

4 HISTÓRICO DA BIOLOGIA MOLECULAR
1869 → Johann Friedrich Miescher # Buscava determinar os componentes químicos do núcleo celular. # Usava os glóbulos brancos contidos no pus para suas pesquisas (células que apresentam núcleos grandes e fáceis de serem isolados do citoplasma). # Descobriu a presença de um composto de natureza ácida desconhecido até o momento (rico em fósforo e em nitrogênio, desprovido de enxofre e resistente à ação da pepsina - enzima proteolítica)) → nucleína

5 HISTÓRICO DA BIOLOGIA MOLECULAR
1880 → Albrecht Kossel # Demonstrou que a nucleína continha bases nitrogenadas em sua estrutura. 1889 → Richard Altmann # Obteve nucleína com alto grau de pureza, comprovando sua natureza ácida e dando-lhe o nome de ácido nucléico.

6 Redescoberta de Mendel Leis da Hereditariedade
HISTÓRICO DA BIOLOGIA MOLECULAR 1900: Hugo de Vries, Erich von Tschermak e Carl Correns Redescoberta de Mendel Leis da Hereditariedade Leis de Mendel

7 HISTÓRICO DA BIOLOGIA MOLECULAR
1928: Frederick Griffith:Transformação

8 HISTÓRICO DA BIOLOGIA MOLECULAR

9 HISTÓRICO DA BIOLOGIA MOLECULAR
1944: Avery, MacLeod e MacCarty: Princípio transformante

10 HISTÓRICO DA BIOLOGIA MOLECULAR
1953: Alfred Hershey e Martha Chase DNA  32P Proteína  35S

11 Maurice Wilkins e Rosalind Franklin
HISTÓRICO DA BIOLOGIA MOLECULAR 1953: James Watson e Francis Crick Maurice Wilkins e Rosalind Franklin

12

13 ÁCIDO NUCLÉICO → PROTEÍNA
DNA → INTRODUÇÃO Entre todas as propriedades dos organismos vivos, a capacidade de auto-replicação é fundamental. Conter a informação genética significa armazená-la, transmiti-la ao longo das gerações, e expressá-la na forma de proteínas. Avanços significativos tem sido alcançados na área da Biologia Molecular a partir do isolamento, análise e síntese de seqüências de DNA. DNA recombinante → estudos de função e dos mecanismos que controlam a expressão gênica ÁCIDO NUCLÉICO → PROTEÍNA

14 DNA → INTRODUÇÃO

15 DNA → INTRODUÇÃO

16 GENOMA HUMANO Autossomos x Sexuais 99% 1%

17 GENOMA HUMANO Nucleotídeo Genoma DNA Cromossomo

18 DEFINIÇÃO DE GENE rRNA Ribossomos tRNA AA snRNA RNP mRNA Proteína

19 -D-2-desoxirribofuranose
ESTRUTURA PRIMÁRIA DO DNA Pentose (Açúcar) - R 2’-Desoxirribose -D-2-desoxirribofuranose H Ribose -D-Ribofuranose OH

20 ESTRUTURA PRIMÁRIA DO DNA
Bases Nitrogenadas = Anéis Aromáticos Heterocíclicos PURINAS Bicíclicas Purina Adenina Guanina PIRIMIDINAS Monocíclicas Pirimidina Citosina Uracil Timina Adenina = Timina Guanina  Citosina Uracil

21 Curiosidade sobre as Bases Nitrogenadas
ESTRUTURA PRIMÁRIA DO DNA Curiosidade sobre as Bases Nitrogenadas PIRIMIDINAS 5-Metiluracil Uracil Timina

22 ESTRUTURA PRIMÁRIA DO DNA
Posições dos Átomos Grupamento Fosfato Bases Nitrogenadas Pentose

23 ESTRUTURA PRIMÁRIA DO DNA
Nucleotídeo Nucleosídeo    (2’-) Desoxirribonucleotídeo Ribonucleotídeo Nucleosídeo   

24 Grupamento Fosfato = Ésteres de Fosfato
ESTRUTURA PRIMÁRIA DO DNA Grupamento Fosfato = Ésteres de Fosfato - Monofosfato 5’-Monofosfato de Adenosina - AMP 5’-Monofosfato de Desoxiadenosina - dAMP - Difosfato 5’-Difosfato de Adenosina - ADP 5’-Difosfato de Desoxiadenosina - dADP - Trifosfato 5’-Trifosfato de Adenosina - ATP 5’-Trifosfato de Desoxiadenosina - dATP

25 Grupamento Fosfato = Ésteres de Fosfato
ESTRUTURA PRIMÁRIA DO DNA Grupamento Fosfato = Ésteres de Fosfato

26 ESTRUTURA PRIMÁRIA DO DNA
Bases Nitrogenadas

27 ESTRUTURA PRIMÁRIA DO DNA
Sentido da Fita de DNA Base Base Base 5’  3’ 5’AACGTTGCTATCGT3’

28 ESTRUTURA PRIMÁRIA DO DNA

29 Grupo Ceto (C=O) e Amino (C-NH2)
ESTRUTURA PRIMÁRIA DO DNA Bases Nitrogenadas Grupo Ceto (C=O) e Amino (C-NH2) Relação Molar (1949) (A+G) = (T+C) A T = 1,0 C G = 1,0 AT = CG (?) Chargaff

30 Ligações Fosfodiéster
ESTRUTURA PRIMÁRIA DO DNA Ligações Importantes Ligações Fosfodiéster Ligação (-) Glicosídica (Glicosílica)

31 Estabilidade do DNA: Integridade e Flexibilidade
DUPLA-HÉLICE DO DNA Estabilidade do DNA: Integridade e Flexibilidade Ligações Covalentes Forças de Van der Walls Interações Iônicas (Mg+2) Sítios Hidrofóbicos Sítios Hidrofílicos Pontes de Hidrogênio

32 DESNATURAÇÃO E RENATURAÇÃO
Fenômenos físicos que ocorrem com o DNA dupla-hélice fundamentais para os processos de replicação, transcrição e recombinação. DESNATURAÇÃO → rompimento das pontes de hidrogênio entre as cadeias complementares do DNA. RENATURAÇÃO → ligamento das pontes de hidrogênio entre as cadeias complementares do DNA. Esses processos podem ser observados in vitro

33 DESNATURAÇÃO E RENATURAÇÃO
A desnaturação da estrutura secundária do DNA pode ser obtida através dos seguintes mecanismos: → aumento de temperatura → titulação com ácidos ou álcalis (protonizam ou desprotonizam os anéis aromáticos) → agentes desnaturantes (formamida) # Tais tratamentos geram grupos carregados no interior da dupla-hélice (levando ao rompimento das pontes de hidrogênio entre as bases complementares).

34 DESNATURAÇÃO E RENATURAÇÃO
A desnaturação do DNA pode ser acompanhada pela medida em espectrofotômetro de absorbância de luz ultravioleta (UV). Efeito Hipercrômico

35 Adenina = Timina Guanina  Citosina
DESNATURAÇÃO E RENATURAÇÃO A temperatura necessária para a desnaturação de um dado DNA está diretamente relacionada com sua seqüências de pares de bases. Adenina = Timina Guanina  Citosina Uracil Tm (oC) = 69,3 + 0,41(GC%) Em condições fisiológicas, a dupla-hélice é muito estável. Para que estes processos ocorram há a necessidade da participação de enzimas especializadas (DNA-helicases e SSBs)

36 T (anelamento) (oC) = Tm – 25oC
DESNATURAÇÃO E RENATURAÇÃO Rompimento das Pontes de Hidrogênio Tm (oC) = 69,3 + 0,41(GC%) T (anelamento) (oC) = Tm – 25oC

37 T (anelamento) (oC) = Tm – 25oC
DESNATURAÇÃO E RENATURAÇÃO Mesmo quando as duas fitas do DNA estão completamente separadas, o processo pode ser revertido. Se uma solução contendo DNA desnaturado por calor for lentamente resfriada, as fitas complementares reassociam-se. T (anelamento) (oC) = Tm – 25oC No início, a renaturação ocorre lentamente. Porém, à medida que as bases complementares se associam, a velocidade do processo aumenta. Resfriamentos abruptos colapsam a renaturação # Quanto maior a complexidade do genoma, maior será o tempo de sua renaturação.

38 DESNATURAÇÃO E RENATURAÇÃO

39 DUPLA-HÉLICE DO DNA As ligações glicosídicas no DNA, por não estarem diretamente opostas na dupla-hélice, geram duas cavidades desiguais em seu contorno: → cavidade maior → cavidade menor # Nestas regiões, as bases estão expostas ao meio solvente. # Moléculas que agem com seqüências específicas de bases (proteínas) podem identificar estas seqüências sem romper a estrutura da dupla-hélice.

40 DUPLA-HÉLICE DO DNA Antiparalelas

41 Cavidades Maior e Menor
DUPLA-HÉLICE DO DNA Cavidades Maior e Menor Cavidade Menor Volta Cavidade Maior 0.34 nm

42 Cavidades Maior e Menor
DUPLA-HÉLICE DO DNA Cavidades Maior e Menor

43 Cavidades Maior e Menor
DUPLA-HÉLICE DO DNA Cavidades Maior e Menor

44 TIPOS DE DNA O DNA pode assumir diferentes conformações, dependendo da sua composição de bases e do meio em que se encontra → DNA A → DNA B → DNA Z Tipo A → forma mais abundante encontrada na célula (forma de dupla-hélice clássica) Tipo B → formado a partir da desidratação ou diminuição do teor de sal no meio em que se encontra o Tipo A.

45 TIPOS DE DNA Tipo Z → encontrado, aparentemente, em apenas algumas regiões do DNA Tipo B ou Tipo A. # Fatores que estabilizam sua formação: → metilação ou bromação de bases → estresse torcional → ligação de proteínas específicas ao DNA Alterações nas conformações podem facilitar ou dificultar a interação do DNA com proteínas.

46 TIPOS DE DNA

47 TIPOS DE DNA DNA B DNA A DNA Z

48 TIPOS DE DNA DNA B DNA A DNA Z

49 DESNATURAÇÃO E RENATURAÇÃO
Conformação anti e syn  Umidade Relativa (92%) C2’-endo Dupla RNA Etanol 75% DNA B DNA A  [Sal] C3’-endo Metilação ou Bromação DNA Z

50 Sentido helicoidal (Giro) Espaço entre as bases (nm)
DESNATURAÇÃO E RENATURAÇÃO Principais características dos DNAs A, B e Z CARACTERÍSTICAS FORMA A FORMA B FORMA Z Sentido helicoidal (Giro) Direita Esquerda Diâmetro (nm) ~2,6 ~2,0 ~1,8 Pb por giro (n) 11 10 12 Espaço entre as bases (nm) 0,26 0,34 0,37 Inclinação da base 20o 6o 7o Sulco maior Estreito/Profundo Largo/Profundo Achatado Sulco menor Largo/Raso Ligação glicosídica anti anti(pir) sin(pur)

51 RNA x DNA H H H H

52 RNA x DNA

53 RNA mensageiro (mRNA) AUG CAU AGGAGGU AAAAA
Fim da mensagem Sinal de ligação ao Ribossomo Códon de Iniciação (Start Códon) Início da Transcrição Hairpin AAAAA CAU AGGAGGU AUG

54 RNA transportador (tRNA)

55 RNA ribossomal (rRNA)

56 OUTROS RNAs hnRNA snRNA snoRNA

57 Andrew Fire e Craig Mello
RNA DE INTERFERÊNCIA (RNAi) Andrew Fire e Craig Mello Premio Nobel de Medicina 2006

58 FORMAS DE DNA E SUPERTORÇÃO
O DNA nem sempre está na forma de um bastão de dupla-hélice (linear). # Quando as duas extremidades de um DNA ligam-se covalentemente, formam-se as chamadas estruturas circulares.

59 FORMAS DE DNA E SUPERTORÇÃO
Linear x Circular Plamídeos e Vírus

60 FORMAS DE DNA E SUPERTORÇÃO
Além da estrutura secundária da dupla-hélice, o DNA assume uma conformação tridimensional supertorcida. # A dupla-hélice enrola-se sob si mesma (extremamente importante nos processos de replicação, transcrição, recombinação e expressão gênica).

61 FORMAS DE DNA E SUPERTORÇÃO
Supertorções

62 Grau de superenrolamento crescente
FORMAS DE DNA E SUPERTORÇÃO Estrutura Supertorcida, Suprerenrolada ou Super-hélice B A C Topoisômeros Grau de superenrolamento crescente A: Relaxada B: Superenrolamentos parciais C: Totalmente Superenrolado

63 FORMAS DE DNA E SUPERTORÇÃO
Tipos de Superenrolamentos Plectonêmico → DNA em solução. Toroidal → DNA enrolado em proteínas (histonas), para formar os nucleossomos. # O desenrolamento das hélices pode induzir à formação de estruturas criciformes, triplex ou DNA Tipo Z.

64 FORMAS DE DNA E SUPERTORÇÃO
Tipos de Superenrolamentos Plectonêmico Solução Toroidal Histonas

65 FORMAS DE DNA E SUPERTORÇÃO

66 TOPOISOMERASES Topoisômeros → moléculas com seqüências e tamanhos idênticos, que diferem apenas na sua topologia. Topoisômerases → enzimas que, quando presentes, promovem a quebra transitória nas pontes fosfodiéster adicionando ou removendo superenrolamentos. A enzima permanece ligada covalentemente ao DNA e permite que as fitas passem umas sobre as outras. Estas enzimas mostram-se presentes tanto em células procarióticas como eucarióticas.

67 TOPOISOMERASES Topoisômerase I → quebram apenas uma das fitas de DNA Topoisômerase II → quebram as duas fitas da dupla-hélice Participam de importantes etapas nos processos de replicação, transcrição e recombinação # o grau de superenrolamento, sua geração e remoção em moléculas de DNA pode ser medido de diferentes maneiras.

68 Relaxamento de Superenrolamento
TOPOISOMERASES Topoisomerase do tipo I Relaxamento de Superenrolamento  ATP Ligação Fosfotirosina Restauração do DNA Ligação e Desnaturação E. coli Topo I: Monômero de 100 kDa (+ e –) Mutação no Gene topA  Inviável Topo III: Monômero de 74 kDa (+) Mutação no Gene topB  Viável

69 TOPOISOMERASES Topoisomerase do tipo II E. coli
Topo II  Tetrâmero 400 kDa DNA-Girase  Sub A e B Adiciona Supertorções – Gene gyrA e gene gyrB Topo IV  Catenadas Antibióticos e Antitumorais 105 a 140 pb Central: 20 pb (AT) Lateral: Rica em GC 5’-Tyr(122)A

70 FORMAS DE DNA E SUPERTORÇÃO
Métodos de aferição do grau de superenrolamento Eletroforese em gel de agarose → separa as moléculas de DNA em função da sua forma e compactação (funções diretas do superenrolamento) → o DNA migra em géis com diferentes velocidades (dependendo de seu tamanho e forma) # Moléculas de DNA de mesmo tamanho migram com diferentes velocidades se estiverem na forma circular relaxada, linear ou supertorcida.

71 Microscopia Eletrônica
FORMAS DE DNA E SUPERTORÇÃO Métodos de aferição do grau de superenrolamento Velocidade de Sedimentação Microscopia Eletrônica Gel Agarose

72 FORMAS DE DNA E SUPERTORÇÃO
Tratamento com Topoisomerase 5 Min Min

73 CONSIDERAÇÕES FINAIS Ácidos Nucléicos  maiores representantes do genótipo (DNA) Proteínas  maiores representantes do fenótipo DNA  Envolvido com todo metabolismo do organismo Molécula da Hereditariedade: Seqüências de bases nitrogenadas  Informações DNA  Moléculas principais RNA  Moléculas intermediárias Proteína  Resultado final da informação