UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBACENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA NATUREZA

DEPARTAMENTO DE BIOLOGIA MOLECULAR

DISCIPLINA: GENÉTICA MOLECULAR

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O material genético e a sua duplicação

Profª Hilzeth de Luna Freire Pessôa

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Material genético Composição químicaComposição química

EstruturaEstrutura FunçãoFunção

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Quais são os compostos químicos que formam a molécula do DNA?

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Composição química Ácido fosfóricoÁcido fosfórico

Composição química AçúcarAçúcar

– Pentose Pentose → → 5 carbonos5 carbonos desoxirribosedesoxirribose

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Composição química Bases nitrogenadasBases nitrogenadas

PURINAS

PIRIMIDINAS

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Composição química Número de adeninas = número de timinas Número de adeninas = número de timinas (A =T)(A =T) Número de guaninas = número de citosinas Número de guaninas = número de citosinas (G = C)(G = C) Número de purinas = número de pirimidinas Número de purinas = número de pirimidinas (AG = TC)(AG = TC) Número de pares AT Número de pares AT ≠≠ CG CG → → característico de cada característico de cada

tipo de DNAtipo de DNA

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Como os compostos químicos se ligam?

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Ligações químicas Ligação açúcar – ácido fosfóricoLigação açúcar – ácido fosfórico Ligação açúcar – base nitrogenadaLigação açúcar – base nitrogenada

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O nucleotídeo

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Composição química

NucleotídeoNucleotídeo Grupo fosfatoGrupo fosfato Açúcar Açúcar

– DesoxirriboseDesoxirribose Base nitrogenadaBase nitrogenada

– AdeninaAdenina– CitosinaCitosina– GuaninaGuanina– TiminaTimina

Base nitrogenada

Grupo fosfato

Açúcar

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Como se forma um filamento da molécula de DNA?

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Ligação Fosfodiéster

Liga nucleotídeos Liga nucleotídeos para formar o para formar o filamento de DNAfilamento de DNA

Ligação fosfodiésterLigação fosfodiéster Carbono 3’ de um Carbono 3’ de um

nucleotídeonucleotídeo Carbono 5’ do Carbono 5’ do

nucleotídeo adjacentenucleotídeo adjacente

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Filamento ou fita simples de DNA

- Extremidade 5’ - Extremidade 5’ → →carbono 5’ da pentosecarbono 5’ da pentose

- Extremidade 3’- Extremidade 3’→→ carbono carbono 3’ da pentose3’ da pentose

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Como os dois filamentos da molécula de DNA se associam?

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Pontes de hidrogênio Ligam os dois Ligam os dois

filamentos da filamentos da molécula de DNAmolécula de DNA

Pontes de hidrogênioPontes de hidrogênio– A e T A e T → → 2 pontes2 pontes– C e G 3 pontes →C e G 3 pontes →

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Qual é a estrutura da molécula de DNA?

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DNA - Estrutura plana Dupla héliceDupla hélice 2 filamentos ou fitas2 filamentos ou fitas

– Ligados por pontes de Ligados por pontes de hidrogêniohidrogênio

– Polaridades opostasPolaridades opostas (5’ - 3’)(5’ - 3’)– antiparalelosantiparalelos

5’3’

3’5’

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DNA - Estrutura tridimensional

Alfa héliceAlfa hélice Eixo central imaginárioEixo central imaginário Rotação para direitaRotação para direita Sulco maior e menor Sulco maior e menor

alternados em uma alternados em uma mesma fitamesma fita

Sulco maior Sulco maior corresponde a sulco corresponde a sulco menor em lados menor em lados opostos da moléculaopostos da molécula

http://www.naquelesite.com/profcharles/?m=20091027

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DNA – Modelo molecular 1953 → James Dewey 1953 → James Dewey

Watson, Francis Harry Watson, Francis Harry Compton Crick e Compton Crick e Maurice Hugh Frederick Wilkins

Descrição da alfa-hélice Descrição da alfa-hélice com a primeira utilização com a primeira utilização de um modelo molecular de um modelo molecular construído com hastes construído com hastes de metal e esferas de de metal e esferas de madeiramadeira

1962 1962 → → Prêmio Nobel de Prêmio Nobel de FisiologiaFisiologia http://www.myspace.com/paperstreet2006

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DNA – Estrutura Molecular EstabilidadeEstabilidade Pontes de hidrogênio Pontes de hidrogênio

entre as bases entre as bases nitrogenadasnitrogenadas

Forças hidrofóbicas Forças hidrofóbicas devido ao devido ao empilhamento dos empilhamento dos pares de bases pares de bases nitrogenadas pareadasnitrogenadas pareadas

http://blog.cmdmc.com.br/album/default/2

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DNA - Estrutura molecular B-DNA= condições

fisiológicas (baixa concentração de sal)

A-DNA= “in vitro” (alta concentração de sais ou parcialmente desidratada)

Z-DNA= “in vitro” (polímeros ricos em G:C, com purinas e pirimidinas alternadas na mesma fita)

http://www.ufpe.br/biolmol/aula2_DNAestrutrep.htm

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Qual é a função do DNA?

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Função Armazenamento da Armazenamento da

informação genéticainformação genética Transmissão das Transmissão das

características características hereditárias para as hereditárias para as próximas geraçõespróximas gerações

Regulação da Regulação da expressão dos expressão dos genesgenes

http://www.techfak.uni-bielefeld.de/bcd/ForAll/Basics/welcome2.html

Como o material genético se duplica?

Mecanismo de duplicaçãoMecanismo de duplicaçãoSemiconservativo

Cada fita da molécula de DNA origina uma nova fita

Cada fita da molécula de DNA funciona como um molde

Quais são as enzimas que participam do processo de duplicação?

Enzimas DNA helicase Proteínas de ligação de fita simples (SSB) RNA primase DNA polimerases (I e III) DNA ligase DNA topoisomerase

DNA helicaseDNA helicaseQuebra as pontes Quebra as pontes

de hidrogênio entre de hidrogênio entre as bases as bases complementares complementares separando as duas separando as duas fitas da molécula fitas da molécula de DNA de DNA

DNA helicase

Proteínas de ligação de fita Proteínas de ligação de fita simples (SSB) simples (SSB)

Se ligam às regiões de fita simples para protegê-las da degradação (hidrólise) por enzimas (nucleases)

DNA helicase

SSB

RNA primaseRNA primase Sintetiza o fragmento iniciador para que em Sintetiza o fragmento iniciador para que em

seguida a DNA polimerase continue a síntese seguida a DNA polimerase continue a síntese DNA molde

RNA primase

DNA polimerase III

IniciadorRNA

DNA

DNA polimerases DNA polimerases Adicionam nucleotídeos ao filamento em

crescimento na extremidade 3’ OHNão são capazes iniciar a síntese,

necessitam de um pequeno filamento de nucleotídeos, um iniciador

Necessitam dos quatro desoxirribonucleotídeos trifosfato

(dTTP, dATP, dGTP e dCTP)Dependem de Mg 2+

DNA polimerase III DNA polimerase III Complexo enzimático com 10 subunidades Complexo enzimático com 10 subunidades

responsável pela responsável pela polimerizaçãopolimerização no sentido no sentido 5’→3’ da fita de DNA recém-formada 5’→3’ da fita de DNA recém-formada

Esta holoenzima apresenta ainda a atividade Esta holoenzima apresenta ainda a atividade 3’→5’ exonucleásica que permite que 3’→5’ exonucleásica que permite que nucleotídeos incorretos adicionados sejam nucleotídeos incorretos adicionados sejam prontamente removidos, um por vez, durante prontamente removidos, um por vez, durante a duplicação e substituídos por nucleotídeos a duplicação e substituídos por nucleotídeos corretos, mecanismo de corretos, mecanismo de revisãorevisão e e reparoreparo

DNA polimerase III DNA polimerase III Polimerização no sentido 5’ Polimerização no sentido 5’ → → 33’’

Direção da síntese

Fita molde Fita em crescimento

dTTP a ser incorporado

DNA polimerase III DNA polimerase III Mecanismo de Mecanismo de revisãorevisão e e reparoreparo

Atividade 3’→5’ exonucleásica Atividade 3’→5’ exonucleásica Remoção de nucleotídeos incorretos Remoção de nucleotídeos incorretos

adicionadosadicionadosum nucleotídeo de cada vez um nucleotídeo de cada vez durante a replicação durante a replicação substituição por nucleotídeos corretossubstituição por nucleotídeos corretos

DNA polimerase III DNA polimerase III Atividade 3’Atividade 3’→→5’5’ exonucleásicaexonucleásica

DNA polimerase I DNA polimerase I Reparo de DNA danificado Reparo de DNA danificado Atividades Atividades

polimerase 5’→3’ polimerase 5’→3’ exonuclease 3’→5’ exonuclease 3’→5’ exonuclease 5’→3’, permite que vários exonuclease 5’→3’, permite que vários

nucleotídeos sejam removidos de cada vez nucleotídeos sejam removidos de cada vez

DNA polimerase I DNA polimerase I Atividade 3’→5’Atividade 3’→5’ e e 5’→3’ exonucleásica5’→3’ exonucleásica

Duplicação do DNA Duplicação do DNA Fita líderFita líder → replicada de forma → replicada de forma contínuacontínua

na direção 5’→3’na direção 5’→3’Fita retardatáriaFita retardatária → replicada de forma → replicada de forma

descontínuadescontínua e no sentido inverso para e no sentido inverso para manter a mesma direção 5’→3’manter a mesma direção 5’→3’

A fita descontínua é replicada através de A fita descontínua é replicada através de fragmentos de Okasakifragmentos de Okasaki

Forquilha de duplicaçãoForquilha de duplicação

Fitas molde

Forquilha de replicação

DNA polimerase III

Fragmentos de

Okasaki

Fita retardatáriaFita líder

DNA ligase

Fragmentos de OkasakiFragmentos de Okasaki1000 a 2000 nucleotídeos1000 a 2000 nucleotídeosDNA recém sintetizado DNA recém sintetizado RNA iniciador que será substituído por RNA iniciador que será substituído por

desoxirribonucleotídeos pela DNA desoxirribonucleotídeos pela DNA polimerase I polimerase I

DNA ligaseDNA ligase reconstituirá a nova fita. reconstituirá a nova fita.

Duplicação do DNA Procariontes (bactérias e algas cianofíceas) Um ponto de origem e um ponto de

término da duplicação Eucariontes Vários pontos de origem e vários pontos

de término da duplicação

Duplicação do DNADuplicação do DNAProcariontes Eucariontes

Como a duplicação da molécula de DNA ocorre nas duas fitas ao mesmo tempo?

Duplicação do DNADuplicação do DNAA partir do ponto de origem as forquilhas de A partir do ponto de origem as forquilhas de

seguem nas duas direções até o(s) ponto(s) seguem nas duas direções até o(s) ponto(s) de término. de término.

O

T T

Direção da replicaçãoO → OrigemT → Término

Forquilha de replicaçãoForquilha de replicação

Como todas as enzimas trabalham juntas na forquilha de duplicação?

DuplicaçãoDuplicaçãosimultâneasimultânea das duas das duas fitas de fitas de DNADNA

www.enq.ufsc.br/.../genetica/DNA.html

Qual é a função da DNA topoisomerase I ?

DNA topoisomerase I DNA topoisomerase I Reduz o enovelamento a frente da Reduz o enovelamento a frente da

forquilha de duplicaçãoforquilha de duplicaçãoCataliza quebras transitórias das ligações Cataliza quebras transitórias das ligações

fosfodiéster em um dos filamentos fosfodiéster em um dos filamentos fornecendo um eixo de rotação que fornecendo um eixo de rotação que permite que os segmentos de DNA em permite que os segmentos de DNA em lados opostos da quebra girem lados opostos da quebra girem independentemente, com o filamento independentemente, com o filamento intacto servindo como eixo. intacto servindo como eixo.

Duplicação Duplicação do DNAdo DNA

A medida que as A medida que as novas moléculas novas moléculas vão sendo vão sendo sintetizadas sintetizadas assumem a assumem a conformação em conformação em αα-hélice-hélice

theuniversalmatrix.com/pt-br/artigos/?p=86