DNA - Genética
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1. universal porque degenerado universalidade possibilitou a obtenc o dos transg nicos O c digo tem ponto final C dons de termina o 5 UAA 3 5 UAG 3 5 UGA 3 1966 NIRENBERG KHORANA e OCHOA Seq ncias sucessivas de tr s nucleot deos do DNA codon determinam sequ ncia de amino cidos de uma proteina O C DIGO GEN TICO 1st base in codon DESVENDADO anticodon codon Phe Ser Phe Ser Leu Ser Leu Ser uopoo ui eseq REGULACAO EXPRESSAO GENICA Um gene ligado desligado em resposta a necessidade de seu produto ETAPAS DA REGULACAO A Inicia o da transcri o e Genes s o controlados por sinais extracelulares e Sinais s o comunicados aos genes pelas prote nas reguladoras 1 Reguladores Positivos ou Ativadores ligam os genes aumenta a transcri o do gene que regula proteina 2 Reguladores Negativos ou Opressores desligam os genes reduzem ou anulam a transcri o de liga o ao DNA b Alongamento da Transcri o Procariontes e eucariontes c Processamento do RNA d Tradu o do mRNA CONTROLE DE TRANSCRICAO Ex Metabolismo da Lactose em E coli o operon lac I Y DNA mRNA Dobramento do polipeptidio 3 4 Prote na y repressora Lactose n 5 e B galactosidase Permease Transacetilas Fig 11 1 Regula o do operon lac gene faz continuamente repressor O repr2. representados em c rculos amarelos cinza e vermelhos mostrando a torc o helicoidal da mol cula de ponta a ponta As bases se projetam para o lado interno mas est o acess veis atrav s das cavidades maior e menor ET H O Nimm H N H OH 3 100 Watson Baker Bell Gann Levine amp Losick adenina H H guanina O 5 NH H j E NH L citosina NH J N pirimidina is H O T H f SN i 6 2 timina H N H H C ZH eo a H O FIGURA 6 4 Purinas e pirimidinas As linhas pontilhadas indicam os s tios de ligacao das bases aos ac cares Para simplificag o os tomos de hidrog nio foram omitidos dos ag cares e das bases nas figuras subseq entes exceto onde forem pertinentes ilustra o FIGURA 6 3 Estrutura detalhada do pol mero de polinucleot deos A estrutura mostra pareamento de bases entre purinas em azul e pirimidinas em amarelo e as liga es fosfodi ster do esqueleto Fonte adaptada de Dickerson R E 1983 Scientific American 249 94 Ilustra o Irving Geis Imagem de Irving Geis Collection Howard Hughes Medical Institution N o pode ser reproduzida sem permiss o 1 dila o o r DNA RNA PROTEINA AP PP Ros adu o __ N cleo RNA polimerase mRNA Tradu o prote na Citoplasma Durante replica ao do DNA as
3. e pirimidinas complementares Adenina sempre pareia com Timina A e Guanina com Citosina ESTRUTURA 3 D DO DNA James Watson e Francis Crick 1953 postularam um modelo tridimensional para a estrutura do baseando se em estudos de difrac o de raio X gt Duas cadeias helicoidais de DNA enroladas ao longo de um mesmo eixo formando uma dupla h lice de sentido rotacional a direita gt Na dupla h lice as duas fitas de DNA est o em direc o opostas isto significa que s o anti paralelas Dupla H lice A dupla h lice apresenta dois tipos de sulcos aos quais se ligam as proteinas da cromatina Sulco menor 3 4 nm Sulco maior 2 0 nm ESTRUTURA 3 D DO DNA Fxtremidade 5 jJ Carbonos da pentose Oxig nio da pentose l X Ps Extremidade 3 Extremidade 5 ponte de hidrog nio base esqueleto de a car fosfato 1 volta helicoidal 34 10 5 pares de bases 2 Cavidade 1 2 nm menor cavidade 2 2 nm maior eo 0 H Cno stede CeNnas P fosfato da cadeia bases FIGURA 6 1 estrutura helicoidal do DNA a Modelo esquem tico da dupla h lice Uma volta da h lice 34 ou 3 4 nm cont m aproximadamente 10 5 pares de bases b Modelo de preenchimento da dupla h lice ac car e os res duos de fosfato em cada fita formam o esqueleto os quais est o
4. o carregado no s tio Dessa forma fica em posi o para aceitar um tRNA carregado s tio e executar a 1a liga o pept dica A INICIA O NOS EUCARIOTOS Recrutam a subunidade lt atrav s do reconhecimento do cap 5 subunidade lt desloca se sobre o mRNA jusante at encontrar um AUG codon de inicia o b ALONGAMENTO e Introdu o de um tRNA carregado no s tio e Forma o da liga o pept dica por transfer ncia da cadeia pept dica do do s tio P para o aminoacil tRNA no s tio e Essa forma o catalisada pelo RNA no centro da peptil transferase da subunidade gt e Ribossomo avan a para o codon vago seguinte c TERMINA O Quando o ribossomo encontra um c don de termina o C DIGO GEN TICO Na transcric o o mRNA uma copia fiel mensagem gen tica codificada no DNA e ap s ser transportado para citoplasma ele est pronto para ser traduzido em uma cadeia polipept dica Se o genes s o segmentos de DNA e se o DNA uma fileira de pares de nucleot deos ent o como a sequ ncia de pares de nucleot deos dita a sequ ncia de AA PROPRIEDADES DO C DIGO GEN TICO A unidade do codigo gen tico constitu da de 3 letras Palavras Trincas CODON 4 64 palavras Ex sequ ncia 5 UGU GUG UGU 3 ciste na valina ciste na O c digo tem ponto inicial 5 AUG 3 liga o do AA formilmetion
5. por 4 oxig nios amp As bases nitrogenadas sao de dois tipos Puricas Adenina A e Guanina G Pirimidicas Timina T Citosina C e Uracil U amp Apenas quatro tipos diferentes de bases sao encontrados em um dado pol mero de cido nucl ico No DNA G C eT No G C eU Uracila Timina sao mol culas bastante relacionadas diferindo apenas pelo grupo metila encontrado no tomo C5 do anel pirim dico da Timina 8 7 i amp As purinas A HN HNZ sao C8 CH constitu das de A d ENS dois an is mS n fundidos de 5 e 6 atomos e as 0 pirimidinas de um nico a m ea de 6 atomos IA H H gt Citosma C Uracil 17 TiminalT RES DUOS DE ACUCAR Dois tipos de pentoses sao encontrados nos cidos nucl icos Ribose e desoxirribose Diferem uma da outra pela presen a ou do grupo hidroxila no C 2 da pentose baseado nesta caracter stica que os cidos nucl icos recebem o nome RNA ribose ou DNA desoxirribose lt lt O e c0cir Se ri e ce 4X lt aos 3c gt ar H RES DUOS DE ACUCAR A pentose o elo de ligac o entre a base e o grupo fostato De um lado o Nitrog nio 9 das purinas ou o Nitrog nio 1 das pirimidinas liga se ao C1 da pentose e de outro lado o grupo carboxila do
6. BASES MOLECULARES DA 4 A F brica A C lula 4 O Manual de Instru es DNA 4 Dogma Central DNA RNA Prote nas 4 Os Oper rios Prote nas 4 Erros de Programa o Doen as 2 Dos varios tipos de mol culas presentes na c lula as de nosso interesseserao as macro mol culas conhecidas como Prote nas cadeia de amino cidos cidos nucl icos DNA e RNA cadeia de nucleot deos Mudan as na sequ ncia de aminoacidos ou de nucleot deos poder inativar completamente biol gica desses compostos Esses tipos de mol culas s o denominadas mol culas informacionais Proteinas niveis de complexidade estrutural primary structure amino acid sequence secondary structure a helix tertiary structure folded individual peptide aggregation of two or more peptides S o os armazenadores e transmissores de informa o nos seres vivos Existem dois tipos de cidos nucl icos DNA o RNA Ambos s o pol meros lineares de nucleot dios conectados entre si via liga es covalentes denominadas liga es fosfodiester Os nucleot dios unidades b sicas dos cidos nucl icos sao constituidos de Uma base nitrogenada anel heterociclico de atomos de carbono e nitrogenio Uma pentose com cinco carbonos Um grupo fosfato mol cula com um tomo de f sforo cercado
7. DELECAO ADICAO ADELE O MA cls c als CJA CJA B ClA B C A DELECAO ADICAO ADICAO ADICAO B cj c als C A B A B c A BIC A BIC A B ADELE AO DELE AO A B C AJB C EE ADI AO ADI O ADI O ADELE O A DELE O A DELE O Esquema mostrando como os c dons seriam lidos no material gen tico de fagos do tipo selvagem a nos fagos portadores de apenas uma muta o b nos fagos duplo mutantes sendo uma das muta es uma deleg o e a outra uma adi o c nos fagos duplo mutantes por m sendo as duas muta es do mesmo tipo d e nos fagos portadores de tr s muta es todas do mesmo tipo e Exons Regiao codificadora Seq ncias expressas traduzidas em prote nas ntrons Regi o n o codificadora Seq ncias intercaladas que s o eliminadas traduc o e S tios de splicing splice junctions Fronteiras onde ocorrem jun es de exons e introns e Doadoras bordas exon intron Receptoras bordas intron exon ma Boador 4 receptor PEL ey s Intro 1 Splicing mRNA L
8. Pegar informac o gen tica dos nucleot deos dos mRNAs e usar para originar as sequ ncias lineares de AA nas prote nas Linguagem escrita com 4 letras correspondentes aos nucleotideos deve ser traduzida na forma de prote nas contendo 20 palavras isto 20 AA CODONS Especificam a ordem dos AA mRNA codifica uma prote na fornece a informa o que precisa ser interpretada o molde para traduc o tRNA adaptadores entre c dons de mRNA e AA aminoacil tRNA sintetases acoplam os AA aos seus tRNAs espec ficos ribossomo coordena o reconhecimento correto do mRNA a cada tRNA catalisa forma o da liga o peptidica entre a cadeia polipeptidica crescente e o AA ligado ao tRNA selecionado Cadeias polipept dicas sao definidas por ORE 41 7 ER LL y CO VAICU CIA AATCC UIU C CIU C CICC CIA C UIU C CRIAR 00000000000000 o0 0 0 200000 00 5 S GURA 14 1 Tr s poss veis s asas de seq ncia l der de trp de E coli Os c dons de iniciac o est o jo sombreados em verde Eo de terminac o em vermelho A seq ncia dos amino cidos da seq ncia codificante indicada abaixo dos c dons segundo o 26d Bdigo de uma letra C DONS DE INICIACAO 5 AUG 3 Eucariotos e procariotos 5 3 5 UUG 3 FUNCOES 1 Especificar o 10 AAG a ser incorporado cadeia pept dica em crescimento e2 Definir a fase de leitura para
9. duas fitas velhas ou maes servem de molde para cada complementar que esta sendo sintetizada S EA VER ug Fita nova a ER p 3 Figura 9 7 Ilustra o de um fragmento de uma mol cula de DNA no qual existem origens de replica o as setas indicam a dire o de replica o e os fragma internos correspondem a DNA rec m sintetizado 59 P OH 3 3 OH P 5 2 E peruca o 2 2 5 P OH 3 2 fitas rec m sintetizadas MU aire 2 fitas moldes gt 8 OH P 55 Figura 9 6 Ilustra o diagram tica da replicag o de uma mol cula de DNA mostrando nas duas mol culas filhas apenas uma das fitas de nucleot dios recam sintetizada PAN ies VAVAVAN V padr es alternativos de replica o do DNA O modelo de Wat Ziria o primeiro semiconservativo padr o Azul claro repre tos rec m sintetizados Mf b to eae MURS a E 25 Um padr o de replica o de DNA revelado pela auto radiografia Uma E _ rapidamente exposta a H timidina pulso e ent o recebe um excesso sa n o radioativa fria caca O DNA espalhado em uma l mina perafado Na interpreta o mostrada aqui existem v rios pontos de a a replica o dentro de uma dupla h lice de DNA 236 A Estrutura e a Replica o do DNA Origem Forquilha Forquilha S Crescimen
10. essor liga se regi o O operador impedindo a RNA polimerase regi o do promotor de transcrever os genes estruturais adjacentes Quando a lactose est presente ela se liga ao repressor e muda sua forma de 7 repressor n o se liga mais a O A RNA polimerase ent o capaz de transcrever os genes estruturais Z Y e A e s o produzidas as tr s enzimas Biologia Molecular do Gene 489 nivel basal de transcrig o glicose lactose sitio para CAP operador promotor repressor n o h transcri ao nivel de transcrigao ativada FIGURA 16 6 Express o dos genes lac A presen a dos a cares lactose e glicose controlam o nivel de express o dos genes lac N veis de express o elevados exigem a presenca de lactose e portanto a aus ncia do repressor Lac funcional a aus ncia da fonte energ tica preferencial a glicose portanto a presenga do ativador CAP Quando ligado ao operador repressor Lac exclui a polimerase independentemente da presenca de CAP ativo O CAP e o repressor Lac 540 representados como unidades simples mas na verdade o CAP liga se ao DNA como um d mero e o repressor liga se como tetr mero ver Figura 16 13 O CAP recruta a polimerase para o promotor lac onde ela sofre isomerizac o espont nea para complexo aberto forma apresentada na linha inferior BJA B CIC A B ADIC O RA c B c A B C A B C C A B C AJB
11. ina procariontes metionina eucarionte O c digo nao tem virgulas Nucleot deos funcionariam como uma virgula Ex VACUVGCAV existe nenhum nucleotideo diferente dos 4 normais que ocorrem no RNA para preparar os c dons leitura se d a partir do ponto inicial C UU GAC Ex 5 AUCGCA 3 Codigo nao Sobreposto 5 ACU 3 Treonina 5 GCA 3 Alanina C digo Sobreposto em 2 letras 5 ACU 3 Treonina 5 CUG 3 Leucina 5 3 Ciste na 5 GCA 3 Alanina CONCLUSAO SOBRE A N O SOBREPOSICAO Ex Estudo da sequ ncia de AA em mutantes 5 AUCCCA 3 C digo nao Sobreposto 5 ACU 3 Treonina 5 CCA 3 Prolina C digo Sobreposto em 2 letras 5 ACU 3 Treonina 5 CUG 3 Leucina SUCC 3 Serina 5 3 Prolina O c digo degenerado Degeneresc ncia do c digo codons sin nimos AAs sao codificados por de 1 codon diferente 64 codon e 20 AA PAREAMENTOS FORTES E FRACOS mais est vel contra os efeitos da mutac o Ex roca de 1 nucleot deo na 3a posic o do codon 5 GCU 3 para 5 3 5 GCA 3 e 5GCG 3 forma a mesma alanina O c digo nao ambiguo Nao codifica para 2 ou AAs diferentes Obs ambiguo em condic es artificiais Ex de pH ou temperatura codificam para o mesmo 5 UUU 3 fenilalanina leucina treonina e isoleucina O c digo quase universal C dons especificam os mesmos AAs para quase todos os organismos
12. o calor Fig 8 1 A primeira demonstra o de transforma o bacteriana a O camundongo morre ap s inje o da linhagem S virulenta b O camundonge ap s a inje o da linhagem R c O camundongo sobrevive ap s inje o da linhagem S morta pelo calor 4 O camundongo morre ap s inje o de de linhagem S morta pelo calor e linhagem R viva A linhagem S morta pelo calor de algum modo transforma a linhagem R em virulenta As partes a be como experimentos controle para esta demonstra o G S Stent e R Calendar Molecular Genetics 2 ed Copyright 1978 de W Freeman and Apud R Sager e F J Ryan Cell Heredity Wiley 1961 SS P mm uds Griffith 1928 evid ncias de que o DNA o material gen tico r gt m lt o E Camundongo vive Camundongo morre b Linhagem S pelo calor seamen t 9 Lipidios Prote na 1 os gt C LULAS R VIVAS 4 f o DNA o agente transformante O DNA S quando adicionado a bact rias rugo 2 Demonstra ao de que que produz col nias lisas vivas ESTRUTURA DO 959 Watson and Crick no DNA que est contida toda a nossa informa o gen tica sob a forma de genes mol cula de DNA uma dupla h lice cujas cadeias est o unidas por pontes de hidrog nio estabelecidas entre purinas
13. o centro de decodifica o tRNAs carregados decodificam os c dons mRNA ligac o do aminoacil tRNA ao sitio A tRNA iniciador subunidade riboss mica menor forma o da liga o pept dica mRNA aminoacil tRNA t rmino inicio liga ao pept dica FIGURA 14 14 Panorama dos eventos da traduc o FIGURA 14 30 Resumo das fases da tradugao TERMINACAO DA TRADUCAO eO ciclo riboss mico da aminoacil tRNA sintetase a forma o da ligac o peptidica e a translocac o prosseguem at que um dos c dons de terminac o chegue ao s tio A O ribossomo completo cont m s tios de liga o com tRNA S TIO A por onde o tRNA carregado ingressa no ribossomo S TIO P que cont m o peptidil tRNA S TIO E por onde o tRNA desacilado sai do ribossomo TRADUCAO envolve um ciclo de associac o e dissociac o das subunidades gt e lt que se juntam no in cio de uma ORF e se dissociam em subunidades livres quando a traduc o da ORF foi completada mRNA traduzido a partir da extremidade 5 da ORF e a cadeia polipept dica sintetizada na direc o da extremidade 3 FASES DA TRADUCAO A INICIACAO NOS PROCARIOTOS Recrutamento da subunidade riboss mica lt para o mRNA e pareamento entre o anticodon do tRNA iniciador carregado o codon de inicia o desencadeia recrutamento da subunidade gt e o posicionamento do tRNA de inicia
14. o de sintese proteica s ntese de qualquer dos tipos de mol cula de RNA catalisada pela enzima RNA polimerase 1 fita molde Aminoacil tRNA sintetase Aminoacil AMP PP Amino cido ATP Aminoacil tRNA sintetase Aminoacil TRNA4 AMP Aminoacil AMP tRNA TRANSCRICAO DO Codificadora sense SUAUUCCGUGACUUAACUUS sentido da transcri o Quando se escreve um sequ ncia nucleot dios correspondente um gene sempre representada a fita codificadora sequ ncia sempre escrita no sentido 5 gt 3 LA Filamento nao molde Filamento molde do gene 1 RNA do gene 2 3 s WG UCGGGUA G 5 SA GGAUGCR me AO 3 WZGCCTAC O A Y gt Filamento molde RNA Filamento n o molde do 1 do gene 2 RNA merase polimerase Gene 1 2 Adic o ponta 3 da cadeia em crescimento montante Jusante Dire o da transcri o 5 EDNA ta RETA Promotor Ponto de inicio Terminador amp Diz se que as sequ ncias que antecedem o ponto de in cio localizam se a montante as que sucedem localizam se a jusante posicao das bases numerada nos dois sentidos a partir do ponto de inicio ao qual se atribui o valor 1 Os valores aumentam valor positivo a jusante e diminuem valor negativo a montante TRADUCAO OU S NTESE DE PROTE NA
15. to Crescimento E Es A I o m E Ea i E sas T rmino k a E Es Fig 8 22 Rea o de alongamento da cadeia catalisada pela DNA polimerase De L Stryer Biochemistry 4 ed C opyright O 1995 de Lubert Stryer Doc cinetocoro lt 2 AAN Y replicado segregac o cromoss mica 1 quebra M Holease polimerasa 2 6 ONA ligase Primas jones Tcpaisomerase phat ial TRANSCRICAO Em 1954 o astrof sico George Gamow prop s que os quatro tipos de bases sequencialmente dispostos na mol cula de DNA constituiriam as letras de um c digo v Este c digo comandaria a sequ ncia dos amino cidos nas prote nas A quest o inicial era descobrir como o sistema de 4 bases estava organizado para sinalizar aos 20 tipos de amino cidos que participam das prote nas amino cido correspondia a um ou mais c dons cada uma das poss veis combina es das quatro bases tr s a tr s TRANSCRI O Processo de transfer ncia de informa es do DNA para o RNA 4sedimentava se id ia de que o molde para a sintese de prote nas era RNA e nao DNA baseado em evid ncias tais como gt Exist ncia de um tipo de RNA que transportava aminoacidos tRNA mOs tr s tipos de RNA rRNA tRNA e mRNA participam do process
16. todos os codons subsequentes C DONS DE TERMINACAO OU DE PARADA 5 UAG 3 5 UGA 3 5 UAA 3 smRNA cont m pelo menos 1 ORF emRNAs Eucariotos cont m apenas 1 ORF MONOCISTRONICOS emRNA Procariotos 2 ou ORFs POLICISTRONICOS INICIACAO DA TRADUCAO 1 Ribossomo precisa ser recrutado para o mRNA 2 tRNA carregado precisa ser posicionado sitio P do ribossomo 3 Hibossomo precisa ser posicionado exatamente sobre o c don inicia o FIGURA 14 22 Panorama dos eventos de inicia o da tradu o E Sitio de ligac o do cromossomo a montante do c don FIGURA 14 2 Estrutura do RNA mensageiro a Mensagem procari tica policistr nica O sitio de ligagao ao ribossomo RBS est indicado b Mensagem eucari tica monocistr nica A regi o do cap 5 indicada por um c rculo na extremidade do mRNA EN 5 a 9 bases 00000000000000 5 NNG NNNAUGGNN3 5 inicio terminac o tRNA POSICIONADO NO S TIO P Cada aminoacil tRNA sintetase liga um nico AA a um ou mais tRNA Essas enzimas precisam reconhecer o conjunto correto de tRNAs para um determinado AA Carregar todos esses tRNAs isoaceptores com o AA correto POSICIONAMENTO DO RIBOSSOMO e Subunidade lt e lt subconjunto de RNA e prote nas e Subunidade gt cont m o centro da peptidil transferase s tio de forma o da liga o pept dica Subunidade lt cont m
17. tomo de C5 da pentose participa da ligac o ster com o grupo fostato FJ mo a ar Pe Esta liga o feita covalentemente atrav s de uma ligac o N glicosidica com a hidroxila ligada ao carbono 1 da pentose LT LT we gt p r HO H r aa fr 1 H H i5 Ly Esta ligac o feita atrav s de uma ligac o fosfodi ster com a hidroxila igada ao carbono 5 da pentose a A ID E o y 4 a formac o da mol cula de DNA necess rio que ocorra a ligac o entre os nucleot deos v Os nucleot deos est o ligados covalentemente por liga es fosfodiester formando entre si pontes de fosfato O grupo hidroxila do carbono 3 da pentose do primeiro nucleotideo se liga ao grupo fosfato ligado hidroxila do carbono 5 da pentose do segundo nucleot deo atrav s de uma liga o fosfodi ster extremidade temos livre a hidroxila do carbono 5 da primeira pentose e na outra temos livre a hidroxila do carbono 3 da ltima pentose FASE MENDEL 1866 Genes portam informac o gen tica Funcao Gen tipo ou genes capazes de armazenar informa o e transmiti la corretamente de uma gerac o a outra b Funcao Fen tipo ou Express o G nica genes controlam manifestac o do fen tipo de um organismo FASE POS MENDEL Genes definidos quimicamente Linhagem S Camundongo vive morta pel
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