Estrutura e função do Material Genético

Prof. Edgar Bione

Procurando o Material Genético1. Fonte estável de informação2. Capacidade de se replicar com exatidão3. Capacidade de sofrer mudanças

Eventos na linha do tempo:

1890 Weismann - substância no núcleo celular controla o desenvolvimento.

1900 Cromossomos parecem conter a informação hereditária,

mais tarde se mostraram compostos por proteínas & ácidos nuclêicos.

1928 Griffith e seu Experimento de transformação

1944 Avery e seu experimento de transformação

1953 Hershey-Chase: Experimento com Bacteriófagos

1953 Watson & Crick propõem o modelo do DNA dupla hélice

1956 Gierer & Schramm / Fraenkel-Conrat & Singer

Demonstram que o RNA é o material genético viral.

Frederick Griffith’s Transformation Experiment - 1928

“Princípio transformante” demonstrado com Streptococcus pneumoniae

Griffith conjeturou que o agente transformante era a proteína IIIS

Oswald T. Avery’s Transformation Experiment - 1944

Demonstrou que o DNA “IIIS” era o material genético responsável pelos resultados de Griffith (não o RNA).

Hershey-Chase Bacteriophage Experiment - 1953

Bacteriófago:Vírus que ataca bactérias usando o maquinário molecular de uma célula viva

Estrutura do fago T2

DNA e proteína

Ciclo de vida do fago T2

Hershey-Chase Bacteriophage Experiment - 1953

1. O bacteriófago T2 é composto de DNA e proteína

2. Ajuste em dois passos:• DNA marcado com 32P• Proteína marcada com 35S

3. Bactéria E. coli infectada com os dois tipos de T2 marcado

4. 32P é encontrado dentro das bactérias e na progênie do fago, enquanto 35S não é encontrado dentro da bactéria mas com o “fantasma” do fago liberado.

1969: Alfred Hershey

Gierer & Schramm Tobacco Mosaic Virus (TMV) Experiment - 1956Fraenkel-Conrat & Singer - 1957

• Usaram duas linhagens virais para demonstrar que o RNA é o material genético do TMV.

Conclusões sobre estes primeiros experimentos:

Griffith 1928 & Avery 1944:

Hershey-Chase 1953:

Gierer & Schramm 1956/Fraenkel-Conrat & Singer 1957:

O DNA (não o RNA) é o agente transformante.

O DNA (não a proteína) é o material genético.

O RNA (não a proteína) é o material genético de alguns vírus.

Nucleotídeo Monômeros que compõem o DNA e RNA

Três componentes:

3. Açúcar (5 carbonos) pentose• DNA = Desoxirribose• RNA = Ribose(compare os carbonos 2’)

5. Base nitrogenada• Purinas

AdeninaGuanina

• PirimidinasCitosinaTimina (DNA)Uracila (RNA)

7. Grupo fosfato ligado ao carbono 5’

Os nucleotídeos estão acoplados por ligações fosfodiéster para formar polinucleotídeos

Ligação fosfodiéster

Esta ligação é muito forte e por esta razão o DNA é notavelmente estável.O DNA pode ser fervido e até autoclavado sem degradar!

Extremidades 5’ e 3’

Ligação covalente entre o grupo fosfato (acoplado ao carbono 5’) de um nucleotídeo e o carbono 3’ do açúcar de outro nucleotídeo

As extremidades das cadeias de DNA ou RNA não são as mesmas. Uma extremidade da cadeia possui um carbono 5’ e a outra um carbono 3’.

Ext. 5’

Ext. 3’

Exemplos: %A %T %G %C %GC

Homo sapiens 31.0 31.5 19.1 18.4 37.5Zea mays 25.6 25.3 24.5 24.6 49.1Drosophila 27.3 27.6 22.5 22.5 45.0Aythya americana 25.8 25.8 24.2 24.2 48.4

James D. Watson & Francis H. Crick - 1953

Modelo do DNA Dupla Hélice

Duas fontes de informação:

1. Composição de bases: estudos de Erwin Chargaff• Indicaram que o DNA consistia de ~50% purinas (A,G) e ~50% pirimidinas

(T, C).• Quantidade de A = quantidade de T e quantidade de G = quantidade de C

(regra de Chargraff)• %GC varia de organismo para organismo

1. X-ray diffraction studies - Rosalind Franklin & Maurice Wilkins

Conclusão – O DNA é uma estrutura helicoidalregularidades distintas, 0.34 nm & 3.4 nm.

Modelo Dupla Hélice do DNA : Seis características principais

3. Duas cadieas polynucleotídicas arranjadas em dupla-hélice no sentido horário.

5. As cadeias nucleotídicas são anti-paralelas:

7. As “espinhas dorsais” Ose-fosfato estão por for a da dupla hélice, e as bases orientadas para dentro do eixo central.

9. Os pares de base complementares das fitas opostas são mantidas unidas por pontes de hidrogênio.

A pareia com T (2 pontes-H), e G pareia com C (3 pontes-H).

ex., 5’-TATTCCGA-3’3’-ATAAGGCT-3’

16. Os pares de base distam 0.34 nm. Uma volta completa da hélice requer 3.4 nm (10 bases/volta).

18. As “espinhas dorsais” Ose-fosfato não estão igualmente espaçadas, resultando em maior e menor sulcos.

5’ 3’3’ 5’

B DNA

1962: Prêmio Nobel em Fisiologia e Medicina

James D.Watson

Francis H.Crick

Maurice H. F.Wilkins

E quanto a?Rosalind Franklin

Organização do DNA/RNA nos cromossomos

Genoma = cromossomo ou set cromossômico que contém todo o DNA que um organismo (ou organela) possui

Cromossomos Virais 1. única ou dupla fita de DNA ou RNA2. circular ou linear3. cercado por proteínas

TMV T2 bacteriophage bacteriophage

Cromossomos Procarióticos

1. A maioria contém um cromossomo de DNA dupla fita circular2. outros consistem de um ou mais cromossomos que

podem ser circulares ou lineares3. tipicamente arranjado em uma região condensada chamada nucleóide.

Problema:

O genoma de E. coli (4.6 Mb), medido linearmente, pode chegar a 1.000 vezes maior que a célula de E. coli.

O genoma humano (3.4 Gb) pode chegar a 2.3 m se esticado linearmente

Soluções:

1. Super-helicoidização

2. Domínio das alças

A dupla hélice de DNA enrola-se sobre o seu próprio eixo, num processo controlado por enzimas (Topoisomerases)(ocorre em moléculas de DNA Circular e linear)

Mais sobre o tamanho do Genoma:

C = Quantidade total de DNA em um genoma haploide (1n)

É amplamente variável de espécie para espécie e não mostra relação com a complexidade estrutural ou organizacional.

3,311,000,000Equus caballus

3,355,500,000Canis familiaris

3,454,200,000Mus musculus

180,000,000Drosophila melanogaster

290,000,000,000

Amoeba proteus

5,000,000,000Zea mays

36,000,000,000Lilium formosanum

4,639,221E. Coli

9,750HIV-1

3,400,000,000Homo sapiens

168,900T4

48,502C (pb)Exemplos

Estrutura do cromossomo eucariótico

Cromatina complexo de DNA e proteínas cromossômicas~ duas vezes mais proteínas que DNA

Dois principais tipos de proteínas:

8. Histonas abundante, proteínas básicas com carga positivaque se ligam ao DNA

5 tipos: H1, H2A, H2B, H3, H4

massa ~ igual ao DNA

evolutivamente conservadas

10. Não-histonas todas as outras proteínas associadas com o DNA

difere amplamente em tipo e estrutura

quantidade varia muito>> 100% da massa de DNA<< 50% da massa do DNA

Empacotamento do DNA dentro dos cromossomos:

Nível 1Voltas de DNA ao redor das histonas para criar a estrutura do nucleossomo.

Formação das alças de DNA.

Nível 4

Nível 2

Nucleossomos conectados por fio de DNA como colar de contas (beads on a string).

Nível 3Empacotamento dos nucleossomos numa fibra cromatínica de 30-nm.

Diferentes tipos de DNA:

•DNA centromérico (CEN) região centromérica, specialized sequences function with the microtubles and spindle apparatus during mitosis/meiosis.

•DNA Telomérico At extreme ends of the chromosome, maintain stability, and consist of tandem repeats. Play a role in DNA replication and stability of DNA.

•Unique-sequence DNA Often referred to as single-copy and usually code for genes.

•Repetitive-sequence DNA May be interspersed or clustered and vary in size.

SINEs short interspersed repeated sequences (100-500 bp)

LINEs long interspersed repeated sequences (>5,000 bp)

Microsatellites short tandem repeats (e.g., TTA|TTA|TTA)