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Gentica de Microrganismos:Estrutura dos cidos nuclicos -

replicao, transcrio, traduo.

Prof. Leandro N. S. Rodrigues

Msc. Biologia Celular e MolecularDoutorando: Medicina Tropical e Sade Pblica

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Nucleotdeos

DNA

Cromossomo

Genoma

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Gentica

Estudo das semelhanas e diferenas, aherana e a variabilidade.

Estuda os mecanismos pelos quais ascaractersticas so transmitidas de umorganismo para o outro e como so

expressas.Associada a biologia molecular, a genticapermite entender os mecanismoscelulares.

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GENE

definio clssica: gene todo o segmentode DNA que contm informao para a sntesede uma cadeia polipeptdica

as regies do DNA que originam diferentes

tipos de RNA. Nesse caso, considera-se comogene todas as regies do DNA que sotranscritas e tambm fazem parte dos genesas regies regulatrias para o processo detranscrio.

Gene toda regio do DNA que codifica asequncia primria de algum produto gnico,que pode ser tanto um polipeptdeo quantoum RNA com funes catalticas ouestruturais.

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Mendel (1856 1868)

Frederick Griffith (1928): Princpio Transformante

Avery, MacLeod & McCarty (1944): Princpio Transformante = DNA

Erwin Chargaff et al. (1947): composio de A +T e C+G varia emdiferentes organismos mas A = T e C = G , T + C = G +A

Rosalind Franklin & Maurice Wilkins (1950): Difrao de raios X revelouuma padro de periodicidade e largura uniforme para o DNA

Hershey-Chase (1952): DNA o material gentico do fago T2

Watson & Crick (1953): modelo para estrutura do DNA que explicatodos os resultados anteriores assim como propem modelo para areplicao da molcula.

Linha do Tempo

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Frederick Griffith (1928): PrincpioTransformante

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Avery, MacLeod & McCarty (1944):Princpio Transformante = DNA

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Fim da dcada de 40:

1947 - Erwin Chargaff

A composio de bases do DNA geralmente

varia de uma espcie para outra

Espcimes de DNA isolados de diferentes

tecidos da mesma espcie possuem a mesmacomposio de bases

A composio de bases do DNA no altera com

a idade do organismo, idade nutricional ou

modificao ambiental

A soma dos resduos das purinas iguala-se

soma dos resduos de pirimidina

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1950: Rosalind Franklin e Maurice Wilkins

Mostraram que o DNA produzia um padro de difrao de raio X

caracterstico, deduzindo que os polmeros de DNA so helicoidais

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1952: Hershey e ChaseEvidncia de que o DNA transportava a informao gentica

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1953: Watson e Crick - estrutura tridimensional do DNA

O DNA composto de duas cadeiaspolinucleotdicas helicoidais com giropara a direita, formando uma dupla

hlice em torno de um eixo central.

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FLUXO INFORMACIONAL

REPLICAO: cpia das seqncias de nucleotdeos de uma

molcula de DNA parental de fita dupla em duas molculasde DNA-filhas de fita dupla semiconservativo.

TRANSCRIO: transferncia da informao para o RNA(mRNA).

TRADUO: a seqncia especfica de aminocidos em

cada protena determinada por uma seqncia especficade bases do mRNA.

Dogma central da biologia molecular

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Dogma central da biologia molecular

5

5

3

3DNA

Replicao do DNA

Reparo de DNA

Recombinao gentica

5 3 RNA

Sntese de RNA

Transcrio

Sntese protica

Traduo

ProtenaH2N COOH

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Dogma Central daBiologia Molecular

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cidos Nuclicos

So macromolculas intracelulares de dois tipos:

cido Desoxirribonuclico (DNA)cido Ribonuclico (RNA)

Apresentam constituio qumica e funobiolgica diferente

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cidos Nuclicos

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cidos Nuclicos

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Nucleotdeos

OCH2

H

H

HH H

OH

Deoxiribose

OPP OOP-O

OO O

O-

Fosfato

O-O-

AdeninaNH2

N

H N

H

N

N

H

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OCH2

H

H

HH H

OH

Deoxiribose

OPP OOP-O

OO O

OO O

Fosfato

Basenitrogenada

Adenina

Nucleotdeos

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Nucleotdeos

OCH2

H

H

HH H

OH

Deoxiribose

OPP OOP-O

OO O

OO O

Fosfato

Basenitrogenada

Guanina

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Nucleotdeos

OCH2

H

H

HH H

OH

Deoxiribose

OPP OOP-O

OO O

OO O

Fosfato

Basenitrogenada

Timina

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Nucleotdeos

OCH2

H

H

HH H

OH

Deoxiribose

OPP OOP-O

OO O

OO O

Fosfato

Basenitrogenada

Citosina

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DNA Constitui o genoma dos seres vivos onde esto contidas todas as

informaes genticas fundamentais para sua existncia.

A partir dele, essas informaes se expressam nas clulas e seperpetuam na prognie.

DNA tem funo de armazenar e manter a informao gentica(cdigo gentico).

Conter a informao gentica significa no somente armazenar etransmitir ao longo das geraes, mas expressar, ou seja, servir de molde

para a sntese de RNAs e alguns desses serem traduzidos nas protenascorrespondentes.

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As bases associam-se pentose por uma ligao nocarbono 1 da pentose, e o fosfato associa-se aocarbono 5 da mesma pentose e ao carbono 3 dapentose do nucleotdeo adjacente. Esta ultima ligao chama de fosfodister e constitui a cadeia denucletdeos confere uma polaridade a molcula deDNA que tem funo na replicao e transcriochamada de sentido 53

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Ligao

entreas

bases:

Ponte

s

de

hidrognio

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.1961 Marmur e Doty descobriram a renaturao do DNA as duas fitas da

dupla hlice podem ser reversivelmente separadas quando as pontes dehidrognio so rompidas

Aumento de temperatura ou Extremos de pH ( Aqui pH alcalino paraseparar as fitas)

DESNATURAO e RENATURAO do DNA

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Tipos de RNAs mRNA: contm a informao gentica para a sequncia de

aminocidos. tRNA: identifica e transporta as molculas de aminocidos at o

ribossomo

rRNA:representa 50% da massa dos ribossomos

Os ribossomos rRNA + protenas.

hnRNA: RNAs heterogneos nucleares, precursores dos mRNAs

snRNA: pequenos RNAs nucleares que se ligam a protenas formandoribonucleoprotenas que tem funo importante na sntese de mRNAs

funcionais.

miRNA:MicroRNA regulao da expresso gnica

siRNA:Pequeros RNAs de interferncia defesa do genoma

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Replicao do DNA

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Replicao do DNA

Processo que permite a perpetuao da molcula de DNA

Origem de Replicao sequncias ricas em AT

DNA de clulas procariticas, plasmdeos e vrus somente uma

origem de replicao

DNA de eucariotos vrias origens de replicao

Durante o ciclo celular a origem de replicao pode ser ativada mais deuma vez em organismos procariticos, mas somente uma vez em clulaseucariticas

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Noescapou nossa percepo que opareamento especfico que postulamossugere imediatamente um possvelmecanismo de cpia para o materialgentico

Watson e Crick, 1953

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1957: O experimento deMeselson e Stahl

Cada fita do DNA funcionacomo molde para a sntese deuma nova fita, produzindo 2novas molculas de DNA, cadauma com uma fita nova e umafita velha

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Replicao - semiconservativa

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Enzimas envolvidas na replicao

Sistema da DNA-replicase ou replissomo: conjunto deenzimas e protenas envolvidas no processo dereplicao

Helicases: separao das fitas

Topoisomerases: alivia o estresse topolgico

Protenas de ligao ao DNA (SSBs): estabilizam as fitas

Primases: sintese de primers

DNA ligases: promovem a ligao fosfodister

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DNA Polimerase em E. coli(procariotos)Tipo Funo

DNA Polimerase I Catalisa o crescimento da cadeia nosentido 53Atividade de exonuclease 35 e 53Preenche pedaos pequenos de DNA

durante a replicao e processo dereparo

DNA Polimerase II Polimerase alternativa de reparo, mastambm pode replicar DNA quando ofilamento molde danificado

DNA Polimerase III Catalisa o crescimento da cadeia nosentido 53. a polimerase primriadurante a replicao normal do DNA

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Nos eucariotos existem outras DNA polimeraseanlogas s dos procariotos

DNA Polimerase em eucariotos Funo

DNA Polimerase Replicao do cromossomonuclear (fita lagging)

DNA Polimerase Reparo de DNA no preenchimento

de espaos do cromossomonuclear. Anloga a Polimerase I

DNA Polimerase Replicao de DNA mitocondrial

DNA Polimerase Replicao do filamento leaderelaggingdo cromossomo nuclear

DNA Polimerase Reparo do DNA do cromossomonuclear

DNA Polimerase Aparentemente reparo de DNA

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A replicao ocorre em 3 estgios

Iniciao

Elongao ou alongamento:- sintese da fita contnua- sintese da fita descontnua

Terminao

Replissomo e protenas

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Replissomo e protenasacessrias

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As caractersticas essenciais da replicao do DNA so asmesmas em eucariotos e em bactrias e muitos doscomplexos protecos so funcional e estruturalmenteconservados.

A replicao do DNA em eucariotos regulada e

coordenada com o ciclo celular, introduzindo algumascomplexidades adicionais.

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Replicao em leveduras A replicao ocorre na fase S;

3 Ptns so necessrias paramontagem do replissomo

ORC; Cdc6e Cdt1

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Replicao Procriotos x Eucariotos

PROCARIOTOS EUCARIOTOS

1 ORI e Ter Mltiplos ORI e Ter

Polimerases III e I Polimerases

e

Fragmentos de Okazaki de ~ 1000 nt Fragmentos de okazaki ~ 100 a 250 nt

superenrolamento histonas

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Protenas necessrias para iniciar a replicao na origemem E. coliProtena Funo

Protena DnaA Reconhece a sequncia ori; abre a dupla hlice emstios especficos na origem

Protena DnaB (helicase) Derenrola o DNA

Protena DnaC Necessria para a ligao da DnaB na origem

HU Protena semelhante a histona; protena de ligao aoDNA; estimula a iniciao

FIS Protena de ligao ao DNA; estimula a iniciao

IHF Protena de ligao ao DNA; estimula a iniciao

Primase (protena DnaG) Sintetiza iniciadores de RNA

Protena de ligao aoDNA de fita simples(SSB)

Liga-se ao DNA de fita simples

DNA-girase (DNA

topoisomerase II)

Alivia as tenses de tores geradas pelo

desenrroladmento do DNA

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3'

3' 5'5'3'

5' 3'

5'

Helicase liga-se s sequencias de DNA (O.R) e abre as cadeis de DNA

Protenas (SSB) evitam que o DNA se reagrupe.

A primase fabrica um pequeno segmento de RNA complementar aoDNA (primer)

Replicao

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Sentido da replicao53

3'

3' 5'

5'

3'

5' 3'5'

A enzima DNA polimerase adiciona nucleotdeos aoprimer

Replicao

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Replicao

3'

3' 5'

5'

3'

5' 3'5'

A sntese da leading strand continua no sentido 5' para 3'.

Sentido da replicao53

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3'

3' 5'

5'

3'

5' 3' 5' 3'5'

Replicao

Sentido da replicao53

A sntese da leading strandcontinua no sentido 5 para 3

A sntese da lagging strand produz seguimentos de DNA no sentido5 para 3 (fragmentos de Okazaki)

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3'

3' 5'

5'Fragmento de Okazaki3'

5' 3' 5' 3'5'

Replicao

Sentido da replicao53

A sntese da leading strandcontinua no sentido 5 para 3

A sntese da lagging strand produz seguimentos de DNA no sentido5 para 3 (fragmentos de Okazaki)

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3'

5'3'

5'

3'

5' 3'3' 5'3' 5'

5'

Replicao

A sntese da leading strandcontinua no sentido 5 para 3

A sntese da lagging strand produz seguimentos de DNA no sentido5 para 3 (fragmentos de Okazaki)

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3'

5'3'

5'

3'

5' 3'3' 5'3' 5'

5'

Replicao

A sntese da leading strandcontinua no sentido 5 para 3

A sntese da lagging strand produz seguimentos de DNA no sentido5 para 3 (fragmentos de Okazaki)

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3'

5'3'

5'

3'

5' 3'3' 5'3' 5'

5'

Replicao

A atividade de exonuclease da DNA polimerase I remove osprimers de RNA

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3'

3'

5'

3'

5' 3'3' 5'

5'

Replicao

A atividade de polimerase da DNA polimerase I preenche os espaos A ligase estabelece as ligaes

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A Replicao do DNA bidirecional

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Caractersticas da Replicao

Bidirecional:Duas forquilhas de replicao movendo-se em direooposta Semiconservativa:

- Uma fita conservada e uma nova formada Semidescontnua:A cadeia leadingcopia-se continuamenteA cadeia laggingcopia-se em segmentos (fragmentos de

Okazaki) que so unidos

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Transcrio

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Filamentos opostos de DNA podemservir como moldes para o RNA

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Estgios da Transcrio

1.INICIAO

- Reconhecimento de sequncias especficas no DNA

2. ALONGAMENTO

- Incorporao dos ribonucleotdeos

3. TERMINAO

- Sequencias no DNA so reconhecidas e a sntese

interrompida

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INCIO DA TRANSCRIO

O DNA apresenta sequncias especficas, denominadasPROMOTORES, que sinalizam exatamente onde a sntese doRNA deve ser iniciada.

Os promotores so, primeiramente, reconhecidos porfatores de transcrio que, ligados ao DNA, interagem comoutros fatores, formando um complexo ao qual a RNA

polimerase se associa.

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Sequncia Transcrita

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RNA polimerase Reconhece e liga-se a sequncias especficas deDNA;

Denatura o DNA expondo a sequncia denucleotdeos a ser copiada;

Mantm as fitas de DNA separadas na regio desntese;

Renatura o DNA na regio imediatamente

posterior da sntese;Sozinha, ou com o auxlio de protenasespecficas, termina a sntese do RNA.

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RNA polimerase

Em eucariotos existem vrios subtipos de RNApolimerases envolvidas na sntese de RNAsespecficos:

. RNA polimerase I localizada no nuclolo eresponsvel pela sntese do RNA ribossmico

. RNA polimerase II localizada no nucleoplasma

e responsvel pela sntese do RNA mensageiro. RNA polimerase III tambm localizada nonucleoplasma e responsvel pela sntese do RNAtransportador

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Viso Geral da Transcrio

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Procariotos x Eucariotos

Iniciao em Procariotos

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Iniciao em Procariotos

Ligao da holoenzima RNApolimerase a regio promotora Subunidade formao da

enzima, interao com ptns

reguladoras Subunidade - catlise Subunidade - liga-se ao DNA Subunidade liga-se s

regies -10 e -35, posicionandoa enzima

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GTF (fatores gerais de transcrio) liga-se ao promotor e atra o cerneda RNA polimerase

PIC (complexo de pr-iniciao)

GTF + RNA polimerase II

TBP (protena de ligao TATA)

Iniciao em Eucariotos

Alongamento e Terminao

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Alongamento e Terminao

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TRMINO DA TRANSCRIO

Quando a RNA polimerase encontra o stio determinao na fita molde, ela se desliga do DNA

juntamente com a nova cadeia de RNA sintetizada

devido uma desestabilizao do complexo detranscrio

O desligamento do RNA do sistema provoca a

ruptura do complexo de transcrio e as fitas doDNA so renaturadas

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Stio de terminao em bactrias

Transcrio Eucariontes

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Tamanho do genma

Atuao de 3 polimerases:-RNA polimerase I: rRNA (exceto 5S)

-RNA polimerase II: mRNA e alguns snRNA-RNA polimerase III: tRNA, snRNA, rRNA (5s)

Transcrio Eucariontes

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Processamento do RNA

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Processamento do RNA

CAP - Proteo do RNA contra degradao e importante para

traduo Calda poli-A Recomposio (Splicing) Recomposio alternativa: modo pelo qual um gene pode codificar

vrias pretenas

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Traduo

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Gene

RNA polimerase

hnRNA

mRNA

Citoplasma

Transcrio

Processamento

Ncleo

Traduo

protena

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Processo que se baseia na sequncia do mRNA para determinare unir os aminocidos formando, assim, uma protena.

Cada aminocido codificado na sequncia de DNA como umcdoncontendo uma sequncia de trs nucleotdeos.

3nt AA cdon

Molculas de RNA transportador transferem a informaocontida no genoma uma sequncia de aminocidos nasprotenas.

A sequncia linear dos nucleotdeos em um genedetermina a sequncia linear de aminocidos emuma protena.

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RNA TRANSPORTADOR

Liga-se quimicamente um aminocidoespecfico, atravs da enzima aminoacil tRNA

sintetase, sendo chamado, desta forma, deaminoacil-tRNA;

Pareia com a sequncia do codon do mRNAadicionando o aminocido que carrega umacadeia de peptdeos crescente.

b

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Ribossomosunem tRNA (anticdon) e mRNA (cdon) para sntese

proteica.apresenta 3 stios de ligao

Stio A(aminoacil)Stio P (peptidil)

Stio E(exit, sada)Centro decodificador (subunidade 30 S) garante que

apenas o tRNA levando anticdons que se ajustam aoscdons sejam aceitos no stio ACentro peptidiltransferase (subunidade 50 S) onde a

ligao peptdica catalizada

Ribossomos

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Ribossomos

Iniciao em Procariotos

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Iniciao em Procariotos

Sequncia Shine-Delgarno

Iniciao: Procariotos

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Iniciao: Procariotos

IF1: garantir que apenas o tRNAiniciador se ligue ao stio P

IF2:garantir que apenas o tRNA

iniciador se ligue ao stio P

IF3:manter a subunidade 30 Sdissociada da 50 S

Iniciao: Eucariotos

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Iniciao: Eucariotos

Fatores de iniciao (elF4A, B eG) promovem a ligao dasubunidade 40s ao CAP do mRNA.

Etapas da Elongao

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Etapas da Elongao

T i

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Terminao Cdon de terminao:

UGAUAAUAG

Fatores de liberao:RF1RF2RF3

Traduo

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Traduo

Molcula de mRNA

A U G G C A U G C G A C G A A U U C G G A C A C A U A

Cys

Met

Ala5 3

AspGlu

Phe His

Direo do avano do ribossomo

Ribossomo

Protena

tRNA

aa livre

codon

Gly

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A U G G C A U G C G A C G A A U U C G G A C A C A U A

Cys

Met

Ala5 3

AspGlu

Phe HisGly

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A U G G C A U G C G A C G A A U U C G G A C A C A U A

Asp

MetAla

Cys

5 3

GluPhe His

Gly

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A U G G C A U G C G A C G A A U U C G G A C A C A U A

Glu

MetAla

CysAsp

5 3

PheGly

His

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A U G G C A U G C G A C G A A U U C G G A C A C A U A

Phe

MetAla

CysAspGlu

5 3

GlyHis

Ile

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A U G G C A U G C G A C G A A U U C G G A C A C A U A

Gly

MetAla

CysAspGluPhe

5 3

HisIle

Lys

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95/107

A U G G C A U G C G A C G A A U U C G G A C A C A U A

His

Met

AlaCysAspGluPheGly

5 3

Ile

Lys

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96/107

A U G G C A U G C G A C G A A U U C G G A C A C A U A

Ile

MetAla

CysAspGluPheGlyHis

5 3

Lys

7/25/2019 Gentica de Microrganismos

97/107

G C A U G C G A C G A A U U C G G A C A C A U A A A A

Lys

MetAla

Cys

AspGluPheGlyHisIle

5 3

Leu

Met

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98/107

U G C G A C G A A U U C G G A C A C A U A A A A U U A

Leu

MetAla

CysAspGluPheGlyHisIle

Lys

5 3

Met

MetAla

7/25/2019 Gentica de Microrganismos

99/107

G A C G A A U U C G G A C A C A U A A A A U U A A U G

Met

AlaCysAspGluPheGlyHisIle

Lys

Leu5 3

Asn

Met AlaCys

7/25/2019 Gentica de Microrganismos

100/107

G A A U U C G G A C A C A U A A A A U U A A U G A A C

Asn

CysAspGluPheGlyHisIle

LysLeu

Met5 3

Pro

Met Ala CysAsp

7/25/2019 Gentica de Microrganismos

101/107

U U C G G A C A C A U A A A A U U A A U G A A C C C A

Pro

AspGluPheGly

HisIle

LysLeuMetAsn

5 3

Gln

Met Ala Cys AspGlu

7/25/2019 Gentica de Microrganismos

102/107

G G A C A C A U A A A A U U A A U G A A C C C A C A A

Gln

G uPheGlyHis

IleLysLeuMetAsnPro

5 3

Met Ala Cys Asp GluPhe

7/25/2019 Gentica de Microrganismos

103/107

C A C A U A A A A U U A A U G A A C C C A C A A U A A

GlyHisIle

LysLeuMetAsnProGln

5 3STOP

Ala Cys Asp Glu PheMet Gly

7/25/2019 Gentica de Microrganismos

104/107

A U A A A A U U A A U G A A C C C A C A A U A A A A A

yHisIle

Lys

LeuMet

AsnPro

Gln

5 3STOP

Ala Cys Asp Glu PheMet Gly

7/25/2019 Gentica de Microrganismos

105/107

A U A A A A U U A A U G A A C C C A C A A U A A T A C

yHisIle

Lys

LeuMet

AsnPro

Gln

5 3STOP

Ala Cys Asp Glu Phe

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106/107

A U A A A A U U A A U G A A C C C A C A A U A A T A C

Ala Cys Asp Glu PheMet Gly

His

IleGln LysPro Leu

Asn Met

5 3

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107/107

Referncias:GRIFFITHS, Antony J. F. et al. Introduo gentica.9. ed. Rio deJaneiro: Guanabara Koogan, 2009

NELSON, David L.; COX, Michal M. Princpios de bioqumica deLehninger.5. ed. Porto Alegre : Artmed, 2011.

ZAHA, Arnaldo; FERREIRA, Henrique B.; PASSAGLIA, Luciane MariaPereira. Biologia molecular bsica.4. ed. Porto Alegre : ArtMed, 2012