03/02/2010. Estrutura de Ácidos. Nucléicos e. Organização do. Genoma Humano. DNA por Watson & Crick, (Nature 171: ).

Transcrição

1 DNA por Watson & Crick, 1953 Estrutura de Ácidos Nucléicos e Organização do Genoma Humano (Nature 171: ). Modelo de estrutura tridimensional do DNA, baseado principalmente nos estudos de difração de raios X de Rosalind Frandlin e Maurice Wilkins e em estudos químicos da molécula. 1. Unidade da molécula de DNA: nucleotídeos iii. Bases nitrogenadas Adenina (A) Guanina (G) Timina (T) Citosina (C) Purinas Pirimidinas ii.fosfato (para a base) Nucleotídeos Nucleosídeo i. Pentose (desoxirribose) 2. DNA fita simples: ligação fosfodiéster, sentido DNA fita simples: cadeia polinucleotídica Fosfato (para a base) Arcabouço açúcar - fosfato Bases Pentose (desoxirribose) ligação fosfodiéster Ligação fosfo-diéster base Direção 5 3 1

2 3. Molécula de DNA fita dupla: Estrutura primária Pareamento específico de bases por pontes de H: A-T, G-C; Estrutura dupla fita do DNA: - complementaridade T A C G Complementaridade Grupos ceto (C=O) de T, C e G e amino (C NH 2 ) de A, C e G. 3. Molécula de DNA fita dupla: Estrutura primária Estrutura dupla fita do DNA: - antiparalelismo 5 3 Direcionalidades opostas: 5 3 e 3 5. Antiparalelismo 3 5 A estrutura primária + características favorecem o giro de uma fita sobre a outra 4. Dupla hélice: estrutura secundária do DNA 4. Molécula de DNA dupla hélice Estrutura Secundária Estrutura primária Estrutura secundária 2

3 Ácido ribonucléico (RNA) - Ácido ribonucléico (RNA) i) Bases nitrogenadas A=U C=G Adenina (A) Purinas Guanina (G) Uracil (U) Citosina (C) Pirimidinas ii) Fosfato (para a base) iii. Pentose (ribose) Tipos de RNA na célula: mrna (mensageiro) DNA (RNA) Genoma trna (transportador) rrna (ribossômico) 5... ATCGGAAACGTGGCCTATGCTTGCAACCT TAGCCTTTGCACCGGATACGAACGTTGGA... 5 Importantes no processo de síntese de proteínas (tradução). Informação genética Genoma Material genético de qualquer célula, seja ela procariótica ou eucariótica, que guarda toda a informação necessária para a sobrevivência, desenvolvimento e reprodução do organismo. Ou seja, a informação genética total de um organismo, armazenada no DNA (ou RNA) de sua ou suas células. Quantidade de DNA no genoma haplóide humano: ~ 3 bilhões pb Como este genoma está organizado na célula??? 3

4 Genoma humano Genoma nuclear Genoma mitocondrial Genoma nuclear - DNA fita dupla linear - uma cópia/célula - genes necessários ao funcionamento celular - existência de grandes porções de seqüências sem função conhecida, incluindo repetições - complexo Genoma nuclear: compactação Genoma (DNA) nuclear: cromossomos OBS: Tamanho do cromossomo e outros fragmentos de DNA em pares de base (pb), e unidades de medida usuais Organização do genoma nuclear humano: ~ 3Mb ~ genes Exemplo: Cromossomo 1: 246 Mb Gene da fibrose cística: 250 kb 4

5 1) Sequências únicas ou pouco repetidas (gênicas ou extragênicas) DNA codificador ou genes propriamente ditos seqüências regulatórias e intragênicas pseudogenes Genes: conceito clássico Porção do DNA que controla uma característica hereditária discreta, usualmente uma proteína ou RNA (Alberts e cols., 2002) regiões com função desconhecida (extragênicas)??? Estrutura do gene eucariótico típico: introns e exons Tamanho dos genes, exons e introns: ex. no genoma humano: Upstream (anterior) Downstream (posterior) % exons Componentes dos genes: exons (codificador), introns (não codificador), regiões regulatórias (promotor, 5, 3 ), regiões transcritas mas não traduzidas (UTRs) Genes humanos mostram uma grande variação de tamanho e da proporção relativa entre exons e introns. Organização do genoma nuclear humano: 2) DNA repetitivo: moderadamente repetitivo ( cópias/genoma) altamente repetitivo (> 10 5 cópias/genoma) DNA não codificador seqüências curtas idênticas ou similares em tandem (agrupado) ou dispersas pelo genoma 5

6 DNA repetitivo em tandem (altamente repetitivo) Exemplo de DNA repetitivo em tandem: Microssatélites GCATGGATTTCAAACGGTG... Unidade de repetição 1-4 pares de base: microssatélites 5-50 pares de base: minissatélites maiores: satélites - seqüências de 1 a 4pares de bases; - também chamados de STRs (repetições curtas em tandem); - repetições de mononucleotídeos (A, T) e dinucleotídeos (com exceção de GC) são os mais comuns; - repetições de tri e tetranucleotídeos são mais raros: potencial patogênico. Exemplo: microssatélites Qual a importância destas seqüências? - O tamanho da unidade de repetição, o número de repetições e as combinações possíveis são extremamente variáveis entre os indivíduos, tornando-os únicos: importância em medicina forense, determinação de paternidade e mapeamento genético (DNA fingerprint). Qual a importância destas seqüências? Ex: determinação de paternidade (vários locos de microssatélites) Ex: investigação criminal 6

7 Distribuição do DNA repetitivo no genoma nuclear humano: OBS: Elementos repetitivos em genes humanos: 3) Situações intermediárias: repetições, agrupamentos e famílias gênicas Famílias gênicas conceito componentes (genes e pseudogenes) necessidade de grande quantidade de produto necessidade de diferentes produtos ao mesmo tempo especialização de/em determinada função diferentes tipos de famílias, conforme a similaridade dos seus componentes e produtos por eles codificados * localizam-se tanto em agrupamentos como dispersos pelo genoma, ou em situação intermediária * * Extremamente relacionados com a função Famílias gênicas: exemplos de famílias Globinas Genes das globinas em humanos: 2 cópias 1 cópia HbA Expressos na ordem do desenvolvimento... 7

8 Expressão das hemoglobinas ao longo do desenvolvimento humano: Genes de RNAs ribossômicos Hb Gower 1 ( 2 2 ) Hb Gower 2 ( 2 2 ) Portland ( 2 2 ) HbF ( 2 2 ) HbA ( 2 2 ) HbA 2 ( 2 2 ) 200 cópias no genoma humano: cromossomos 13, 14, 15, 21 e 22; gene para rrna 5S: ~2000 cópias no cromossomo 1. Genoma mitocondrial - DNA circular - várias cópias/célula - genes relacionados às funções mitocondriais - ~93% codificador - pouquíssima ocorrência de porções de seqüências sem função conhecida (como repetições) - simples Genoma mitocondrial Genoma nuclear X genoma mitocondrial 8

9 Funções do Genoma Humano DNA Genoma * Como a informação genética contida no DNA se transforma em organismos? DNA RNA proteína Função principal do genoma humano: - converter a informação genética armazenada na seqüência de bases do DNA em todas as proteínas e outros componentes necessários para a sobrevivência, desenvolvimento e reprodução do organismo (expressão gênica), e perpetuar esta informação (replicação). Manutenção e fluxo da informação genética através de 3 processos fundamentais: - Replicação - Transcrição - Síntese protéica (Tradução) Manutenção e fluxo da informação genética! 9

10 Quando ocorre a duplicação do DNA? 1. Replicação ou duplicação do DNA Fase S do ciclo celular Processo pelo qual todo o DNA da célula se duplica, para originar uma célula nova Características do processo: - adequação ao ciclo celular - rapidez -fidelidade (enzimas com atividade - exonucleásica) - simultaneidade Manutenção e fluxo da informação genética através de 3 processos fundamentais: - Replicação - Transcrição - Tradução Transcrição: formação de uma molécula fita simples de RNA a partir de uma molécula dupla fita de DNA. Segue regras de complementaridade e antiparalelismo 2. Transcrição reflete o estado fisiológico da célula extremamente variável Síntese no sentido 5 3 (DNA molde 3 5 ) 10

11 Transcrição Transcrição: DNA Fita molde Fita codificante rrna estrutural ribossomos DNA mrna proteínas RNA 5 3 trna acoplador transportador Transcrição em genes de proteínas nos eucariotos: Iniciação: Promotor promotor região transcrita Cascata de fatores (upstream) (downstream) + RNAP Complexo de iniciação Unidade de transcrição mrna primário: exons, introns, regiões 5 e 3 UTR Nível basal Alongamento: Terminação ATG AATAAA 5 3 Bolha de transcrição - região consenso no DNA molde (3 TTATTT 5 ) - clivagem (corte) 11

12 Resumo: AAUAAA Produtos da transcrição DNA mrna Proteína transcrição pré-mrna exons, introns, regiões 5 e 3 UTR processamento mrna Capping cap 5' 3. Processamento Capping Poliadenilação Splicing -Importante para a tradução do mrna: sítio de reconhecimento dos ribossomos - Facilita o transporte do núcleo para o citoplasma - Protege a extremidade 5 do mrna Poliadenilação - cauda poli A mrna após transcrição, capping e poliadenilação: - Protege a extremidade 3 do mrna - Facilita o transporte do núcleo para o citoplasma - Facilita a tradução: reconhecimento pela maquinaria ribossômica * mrna imaturo, quase pronto 12

13 Splicing DNA molde Pré-mRNA Relação DNA-mRNA maduro: Intron Produtos da transcrição 4. Código Genético e tradução (síntese protéica) DNA mrna Proteína transcrição tradução pré-mrna exons, introns, regiões 5 e 3 UTR processamento mrna cap5, exons, regiões 5 e 3 UTR, cauda poli-a Proteínas: formadas por 20 aminoácidos diferentes. A informação genética é estocada no DNA por meio de um código (o código genético). Genoma 5... ATCGGAAACGTGGCCTATGCTTGCAACCT TAGCCTTTGCACCGGATACGAACGTTGGA

14 Como??? Como a seqüência de bases do DNA é codificada nos 20 aa diferentes e apenas 4 bases diferentes de DNA aminoácidos da proteína Em qualquer posição existem 4 possibilidades (A, T, C, G) 4 n = combinações possíveis 4 2 = 16 aa diferentes 4 3 = 64 combinações 3 bases (códon) = 1 aminoácido Características do código genético Tradução: síntese protéica propriamente dita; processo pelo qual o mrna fornece um molde para a síntese de um polipeptideo. Necessita dos diferentes tipos de RNA. Universalidade Especificidade Redundância mrna: leva a informação genética do DNA ao citoplasma, onde serve de molde, sendo lido em códons. DNA trna: traz o aminoácido e interpreta cada códon atraves do anticódon (pareamento baseado nas regras de complementaridade mrna 5 3 anticódon 14

15 rrna: expõe cada códon do mrna para o trna, fornecendo o local para a tradução. Iniciação: Alongamento: Terminação: Dogma central da biologia molecular 15