DNA É O MATERIAL GENÉTICO:

TOPOLOGIA DOS ÁCIDOS NUCLÉICOS

A informação guardada nos genes é transmitida milhões de vezes em forma inalterada durante a vida de um organismo multicelular !

Que tipo de molécula seria capaz de sustentar tal numero de exatas replicações e dirigir o desenvolvimento de um organismo

Que tipo de instruções carrega a informação genética

Como a imensa quantidade de instruções são fisicamente organizadas de tal forma que possam ser contidas dentro de uma célula

Algumas respostas começaram a emergir nos 40s, estudos com fungos onde se viu que informação consistia de instruções para fazer proteínas e que estas ultimas eram as responsáveis pelas propriedades e funções da célula.

A informação pode passar de duas formas para a geração seguinte, pelo ovo fertilizado (na reprodução sexual) ou para a célula filha (na reprodução asexual).

Um particular fato na estrutura do DNA é que esta é independente da seqüência de nt. Relação entre a seqüência de DNA e a seqüência correspondente da proteína: código genético

Histórico

Descobrimento do DNA

1865 – Johann Gregor Mendel

Publicou resultados dos cruzamentos de ervilhas Pisum sativum.

Noticiou o aparecimento e desaparecimento de características

em vagens e flores em várias gerações.

Postulou as regras que governam a hereditariedade.

Propôs a existência de discretas unidades de hereditariedade

(genes), que seriam transmitidas de geração para geração.

Histórico ( cont.)

1869 – Johann Friedrich Miescher

Realizou o primeiro isolamento de DNA.

Histórico ( cont.) 1928- Griffith

Primeira evidencia que o material genético estava constituído por ácidos nucléicos expt. de transformação realizados por com Streptococus Pneumococus

“principio de transformação”.

1944- Avery e cols. “Baseado nas propriedades físico-químicas a substância indutora parece ser uma forma de DNA altamente polimerizada e viscosa”.

Polissacarídeo capsular do tipo III, cuja síntese é promovida pelo “principio transformante” consiste de um polissacarídeo não nitrogenado (material genético vs. produtos de expressão)

1947-Erwin Chargaff

1952- Hershey e Chase

Se nos estamos certos, e ele estava, “Os ácidos nucléicos não são estruturalmente importantes, apenas mas se uma substância funcionalmente ativa na determinação das atividades bioquímicas e características específicas da célula, o que permitirá conhecendo esta substância induzir mudanças previsíveis e herdáveis na célula “.

1952 Rosalind FranklinDifração de raios X, mostrou um padrão de periodicidade e largura uniforme do DNA

1953 – Watson e Crick

-Difração de raios X mostrou que o DNA possui uma forma de hélice regular, fazendo umavolta completa cada 34 Å, com um diâmetro de aprox. 20 Å e desde que a distância entre dois nucleotídeos adjacentes é de 3.4 Å a cada volta deve de existir 10 nt.

- A densidade do DNA indica que a dupla hélice contem duas cadeias polipeptídicas e o diâmetro constante da hélice pode ser mantido se o pareamento é realizado sempre entre uma purina e uma pirimidina.

- A proporção de G e sempre igual a de C e a de A a de T. por tal motivo a composição de qualquer DNA pode ser dada pela % de G+C a que varia entre 26-74 % entre diferentes espécies.

1953 – Watson e Crick

Propuseram a estrutura do DNA como dupla hélice.

A estrutura proposta a partir de estudos de cristalografia de raios-X realizados por

Franklin.

Ganharam o prêmio Nobel de fisiologia em 1962.

Os componentes do DNA

DNA DNA vs.vs. RNA RNA

PentosesPentoses

OHOH2C

H

H

HH H

OH

OH

Deoxiribose

1´

5´

4´

3´ 2´

Ribose

OHOH2C

H

OH

HH H

OH

OH

1´

5´

4´

3´ 2´

Ácidos nucléicosPolímeros lineares de nucleotídeos unidos por ligações fosfodiester

Bases nitrogenadasBases nitrogenadas

CitosinaCitosina

H

H

N

H

O

N

N

HH

HN

H

O

O

N

H3

CH

TiminTiminaa

Guanina

O

N

N N

H

N

NH

H

HH

PurinasPurinas

PirimidinaPirimidinass

Adenina

N

H

N

H N

H

N

N

H

H

HN

H

O

O

N

H H

UracilaUracila

NucleotídeosNucleotídeos

OCH2

H

H

HH H

OH

Deoxiribose

OPP OOP-O

OO O

O-

Fosfato

O-

O-

Adenina

NH2

N

H N

H

N

N

H

Os nucleotídeos podem agir como transportadores de energia de curta vida, o principal e o ATP

OCH2

H

H

HH H

OH

Deoxiribose

OPP OOP-O

OO O

OO O

Fosfato

Base nitrogena

da

Adenina

OCH2

H

H

HH H

OH

Deoxiribose

OPP OOP-O

OO O

OO O

Fosfato

Base nitrogena

da

GuaninaGuanina

1’

OCH2

H

H

HH H

OH

Deoxiribose

OPP OOP-O

OO O

OO O

Fosfato

Base nitrogena

da

Timina

1’

OCH2

H

H

HH H

OH

Deoxiribose

OPP OOP-O

OO O

OO O

Fosfato

Base nitrogena

da

Citosina

1’

A = T

G C

Bases são complementares.

Pontes de hidrogênio são formadas entre as bases:

A = T 2 pontes de hidrogênio

G C 3 pontes de hidrogênio

G C É MAIS ESTÁVEL

Pareamento de Bases

Pareamento de nucleotídeos

Pontes de hidrogênio

CH2

O

OH

GuaninaGuanina

O

N

NN

H

NNH

H

H

OH2C

OH

Citosina

H

H

NO

N

N

HH

Pareamento de nucleotídeos

Pontes de hidrogênioPontes de hidrogênio

CH2

O

OH

AdeninaAdeninaN

H

N

HN

H

NN

H

OH2C

OH

HN

O

O

N

H3

CH

TiminaTimina

Pareamento de fitas de DNAPareamento de fitas de DNA

OH

OH2C

P

O

OO

O

OH2C

P

O

OO

O

OH2C

P

O

OO

OO H2C

P

O

O O

O

O H2C

P

O

O O

O

O H2C

OH

P

O

O O

O

3´

3´

5´

5´ Invertido eInvertido e

ComplementarComplementar

Molécula de DNA

Pentose

AdeninaAdenina

TiminaTimina

Grupo fosfato

P

Bases nitrogenadasBases nitrogenadas

GuaninaGuanina

CitosinaCitosina

Volta completa cada 34 Å, com um diâmetro de aprox. 20 Å e desde que a distância entre dois nucleotídeos adjacentes é de 3.4 Å a cada volta deve de existir 10 nt.

A proporção de G e sempre igual a de C e a de A a de T.

A especificidade no pareamento das bases é crucial, o movimento dos átomos de hidrogênio permitem que cada base exista de forma tautomerica, onde os grupos amino (NH2) e cetos (C=O) estão opostos aos grupos iminos (NH) e henol (COH) -

* Este modelo requer que as cadeias corram em direções opostas “antiparalelas”, onde os açúcares e grupos fosfatos encontram-se voltados para fora conferindo carga negativa ao DNA.

O DNA se replica em forma semiconservativa

Principal requerimento: a informação se deve reproduzir exatamente

1958 - Meselsom-Stahl “Reprodução é semiconservativa”

Os pares de bases estão perpendiculares à coluna açúcar-fosfato e contribuem à estabilidade termodinâmica da dupla hélice de duas formas: a- pela união de pontes de hidrogênio ( interações “ Watson-Crick” ou “canônicas” )b- pelo pareamento hidrofóbico das bases ( interações “stacking” ou “ empilhamento”).

Interações eletrostáticas: fosfatos que desestabilizam interações inter-intracadeias e que são neutralizadas pelos íons Na+

O DNA dupla hélice tem estruturas alternativas As diferentes estruturas da dupla hélice é determinada pelos seguintes parâmetros:

N = número de nt. por volta.H = distância entre unidades repetidas.A variação nestes parâmetros leva a mudanças no grão de rotação.

Assim na forma B, cada par de base gira 36 graus em volta do eixo, portanto cada 10bp acontece um giro completo, com uma região estreita de 12 Å “sulco menor” e uma ampla de 22 Å “sulco maior” e a torção das duas fitas entre si formam uma dupla hélice.

híbridos RNA-DNA açúcar e a base do mesmolado da ligação glicosidica

Moléculas com tamanhos e seqüências idênticas, mas na sua topologia se chamam de topoisomeros

O DNA pode ser desnaturado e renaturaado

O processo de separação das fitas de DNA (desnaturação) acontece sob condições fisiológicas onde a especificidade do processo é dada pela complementariedade das bases.

Aumento de temperatura, Titulação com Ácidos (protonizam os aneis nitrogenados A,C e G) “ “ Alcalis (deprotonizam os anéis de G e T) Agentes denaturantes ex. formamida e DMSO.

•Geram grupos carregados no interior da dupla hélice, mudanças nas propriedades físico- químicas ex. densidade

Efeito hipocrômico: dimnuição da A260nm ,interação entre as bases (DNA dupla hélice).

A260nm (dsDNA)< A260nm (nt livres)

Efeito hipercrômico: aumento da A260nm ,desnaturação da duupla hélice.

A260nm (dsDNA) ~ A260nm (nt livres)

Temperatura de denaturação (Tm ): temperatura na qual os 50% do DNA se encontra denaturado se chama de Tm

* Tm depende da composição das bases G-C incrementando 0.4º por 1% incremento de G-C Ex. DNA com um 40% de G-C Tm=87 ºC

•Incremento de 16,6 ºC por cada 10 x na conc. de cátion monovalente.

•sob condições fisiológicas a dupla hélice é muito estavel pelo que a desnaturação requer a participação de enzimas específicas helicases e proteínas estabilizadoras as SSBs.

* Em presença de agentes como formamida Tm se reduz para 40º ( desestabiliza as pontes H)

Tm (Cº) = 69,3 + 0.41(GC%).

Hibridizaçãoa) hibridização líqüida; b) em filtros,

A denaturação é reversível sob condições apropriadas, renaturação, dois passos:

1. Se encontram regiões complementares;2. Pareamento se estende a toda a região “zipper”, restaurando-se as propriedades perdidas

Classes of Nucleic Acids• DNA - one type, one purpose

• RNA - 3 (or 4) types, 3 (or 4) purposes • ribosomal RNA - the basis of structure and

function of ribosomes

• messenger RNA - carries the message

• transfer RNA - carries the amino acids

3’mRNA

5’

rRNA

Principais tipos de RNA

Aminoácido

5´3´

tRNA

AnticódonAnticódon

RNA synthesis

Transcription units

• The region of DNA which is transcribed into RNA by RNA Polymerase

• From Promoter at the 5’ end

• To the Terminator at the 3’ end