V e t e r i n a r i a n D o c s Genética
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- Micaela Palmeira Vasques
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1 V e t e r i n a r i a n D o c s Genética Introdução Conceitos Gene: segmento de DNA que é expresso para produzir um produto funcional, o que pode ser RNA ou polipeptídeo. 3 partes: seqüência reguladora, seqüência codificadora e seqüência terminadora. Éxons: parte codificadora de um gene Ínrtons: parte não codificadora de um gene, são removidos pelo splicing de modo que só os éxons são incluídos no mrna. Quase todos os genes de histonas não têm íntrons. Função: papel importante no controle da expressão gênica, os íntrons permitem que os éxons de um gene sejam agrupados de formar diferentes, fazendo com que um gene sintetize proteínas diferentes, isso é chamado de splicing alternativo. Também facilita a recombinação entre regiões codificadoras de proteínas, processo conhecido como embaralhamento de éxons. Genoma: termo usado para designar o complemento total de DNA de um conjunto de cromossomos em uma célula. Procariotos: é organizado de uma forma que proporciona economia de espaço e de energia para a replicação do organismo, organismos de replicação rápida. Apresentam um único cromossomo circular. (haplóides). Presença de seqüências codificantes em ambas as fitas de DNA. 1
2 Eucariotos: genes interrompidos (éxons e íntrons). São organismos que apresentam o material genético nuclear de cada célula dividido em dois ou mais cromossomos. Genoma maior que o dos procariotos. Valor C: é uma grandeza característica de cada espécie e expressa a quantidade total de DNA presente em seu genoma haplóide. Paradoxo do valor C: a impossibilidade de correlacionar o tamanho do genoma com a complexidade das características morfológicas do organismo. Eucariotos: presença de núcleo individualizado. Procariotos: ausência de núcleo individualizado. Operon: um grupo de genes adjacentes transcritos como um único mrna. Empacotamento do DNA: o DNA de uma célula apresenta um comprimento total de quase 2 metros. Portanto, é necessária uma compactação organizada que permita o armazenamento em uma microscópica célula. Como ocorre: a dupla hélice de DNA dá voltas em uma estrutura composta de proteínas básicas (histonas). DNA + histonas: Nucleossomo. Alças de solenóide prendem-se ao esqueleto do cromossomo por proteínas ácidas. Genoma extranuclear: (genoma mitocondrial) a mitocôndria possui genoma próprio, estas organelas se auto- duplicam e segregam ao acaso. Herança materna. Cromatina: as principais proteínas são as histonas. Centrômero: assegura a distribuição correta dos cromossomos duplicados. Servem de sítios de associação das cromátides irmãs. Telômeros: papel na replicação e manutenção do cromossomo. Transcriptase reversa: replica as seqüências dos telômeros. Seqüência de DNA repetitivo: mais de 50% do DNA dos mamíferos são compostos por seqüências de DNA altamente repetitivos. Estas seqüências incluem as repetições de seqüência simples assim como os elementos repetitivos que a moveram ao longo do genoma através de RNA ou DNA intermediários. Processamento de RNA: as alterações que ocorrem nos rrnas e trnas são principalmente modificações de bases e são comuns tanto em procariotos como em eucariotos. (alguns trnas contem íntrons que devem ser retirados). Maturação de RNAs: os diferentes RNAs recém-sintetizados no processo de transcrição são chamados pré-rnas, transcritos primários ou, ainda, precursores de RNAs. Muitas vezes, estes pré-rnas não constituem em uma molécula funcional (RNA maduro). Só se tornando um RNA funcional após sofrerem uma série de modificações pós-transcricionais, as quais chamamos de processamento de RNA. 2
3 mrnas de procariotos, com raras exceções, não sofrem processamento. Já mrnas de eucariotos são altamente modificados, as modificações são de vários tipos: adição de nucleotídeo na extremidade 5 (tradução, proteção). Adição de nucleotídeos na extremidade 3 (poliadenilação estabilidade). Retirada de fragmentos que interrompem as seqüências funcionais dos mrnas (retirada de íntrons). Retirada de íntrons: de 3 formas: spliceossomos (complexo protéico), autosplicing (há 2 tipos de íntrons, 1 e 2) e alguns íntrons de trnas são retirados por endonucleases. Replicação Replicação: 3 etapas: início, alongamento e terminação. É um processo semiconservativo. DNA polimerase: papel na replicação e no reparo do DNA em eucariotos e em procariotos. Todos DNA polimerases sintetizam na direção 5 ->3. Forquilha de replicação: as fitas do DNA são separadas e servem como moldes para a síntese de 2 novas fitas na forquilha de replicação. Uma das fitas novas (fita líder) é sintetizada continuamente e a outra (fita atrasada) é formada pela união de pequenos fragmentos de DNA que são sintetizados reversamente com relação a direção da replicação. As DNA polimerases e várias outras proteínas atuam de maneira coordenada para sintetizar as fitas contínuas e descontínuas. As origens e a iniciação da replicação: a replicação do DNA é iniciado em origens de replicação específicas, as quais contém sítios de ligação para proteínas que iniciam o processo Telômero, telomerase, replicando as extremidades dos cromossomos: as seqüências repetidas, situadas nas extremidades cromossomais, são replicadas pela ação de uma transcriptase reversa (telomerase) que carrega seu próprio molde de RNA. Reparo de DNA: -Reversão direta de lesão: alguns poucos tipos comuns de lesões tais como dímeros de pirimidinas e resíduos de guanina alquilados, são reparados pela reversão direta da lesão. -Reparo por excisão: a maioria é reparada pela remoção do DNA lesado. A falha é resultante é preenchida por DNA recém sintetizado, usado como molde a fita integra. 3
4 -Reparo sujeito a erro: DNA polimerases especializados são capazes de replicar o DNA complementar a um sítio de DNA lesado, embora a ação dessas polimerases resulte em uma alta freqüência de incorporação de bases incorretas. -Reparo por recombinação: o DNA lesado pode ser substituído por recombinação com uma molécula integra. Esse mecanismo desempenha m papel importante no reparo de lesões encontradas durante a replicação do DNA, bem como no reparo de quebras da fita dupla. DNA polimerases: síntese de DNA (adiciona nucleotídeos na extremidade 3 OH de uma região pareada do DNA, possibilitando o crescimento da cadeia no sentido 5 3 ) Replicação: pode ser unidirecional ou bidirecional. Aparato proteico (auxiliam DNApolimerase): -DNA girase: auxilia no desenrolamento do DNA -Helicase: promove a separação das duas fitas para o inicio da duplicação. -Primase: síntese do iniciador de RNA. -Dna ligase: uma enzima que sela as quebras de uma fita de DNA. Fragmentos de okasaki: pequenos fragmentos de DNA que são unidos para formar a fita descontínua de DNA. (semi descontínua) Terminação da replicação: -unidirecional: começa e termina no mesmo ponto -bidirecional: começa num ponto e as fitas se sobrepõem, terminam em pontos diferentes. Adição de nucleotídeos: sempre na direção 5 3 *Nem todos os organismos têm o DNA como material genético. Como o retrovírus, tem RNA fita simples e a transcriptase reversa sintetiza cdna. Transcrição Transcrição: processo pelo qual são sintetizados todos os RNAs da célula. O primeiro nucleotídeo transcrito é demarcado +1, e é geralmente uma purina (A ou G) A transcrição inicia-se no promotor e prossegue em direção ao terminador. 4
5 Procariotos: A RNA polimerase e a transcrição: RNA polimerases constituídas de subunidades α,β,β,δ e ω. A transcrição é iniciada pela ligação de δ nas seqüências promotoras. Após a síntese dos 10 primeiros nucleotídeos do DNA, o núcleo central da polimerase se dissocia de δ e progride ao longo do molde de DNA à medida que alonga a cadeia de RNA. Então, a transcrição continua até que a polimerase encontre um sinal de terminação. Os repressores e o controle negativo da transcrição: o modelo prototípico para a regulação gênica em bactérias é o operon, o qual é regulado pela ligação de um repressor a seqüências específicas de DNA próximos ao promotor. Controle positivo da transcrição: alguns genes bacterianos são regulados através de atividades transcriocionais em vez de repressores. Eucariotos: RNA polimerase: as células eucarióticas contem 3 RNA polimerases nucleares distintas que transcrevem os genes codificando para mrnas (polimerase II), rrnas (polimerases I e III) e trnas (polimerase III). Fatores gerais da transcrição e a iniciação da transcrição pela rna polimerase II: as RNA polimerases eucarióticas não se ligam diretamente nas seqüências promotoras, elas exigem proteínas adicionais (fatores gerais de transcrição) para iniciarem a transcrição. As seqüências promotoras de muitos genes transcritos pela RNA polimerase II são identificados pela proteína de ligação (TATA), a qual recruta fatores de transcrição adicionais e a RNA polimerase para o produtor. TATA BOX: uma seqüência de DNA reguladora encontrada nos promotores de muitos genes eucarióticos transcritos pela RNA polimerase II. Transcrição pela RNA polimerase I e II: As RNA polimerases I e II também necessitam de fatores de transcrição adicionais para se ligarem aos promotores do genes para rrna,trna e alguns snrna. Etapas da transcrição: reconhecimento do promotor, iniciação, alongamento e término. Rna polimerases: enzimas que catalisam a síntese de RNA. Atuam sempre no sentido 5 3. Não necessitam de primer e são compostas de múltiplas subunidades. Repressores eucarióticos: a expressão gênica em células eucarióticas é regulada tanto por repressores quanto por ativadores. Alguns repressores interferem com a ligação de ativadores ou de fatores gerais de transcrição do DNA. Outros repressores contêm domínios de expressão discretas que inibem a transcrição através da interação com fatores gerais da transcrição, com ativadores transcricionais ou co-repressores que afetam a estrutura da cromatina. 5
6 Regulação da transcrição por RNAs não codificantes: a inativação do cromossomo X fornece um exemplo da regulação gênica por RNA não codificante em mamíferos. Processamento e reciclagem do RNA: -Mecanismos de splicing: os splicing do pré-mrna nucleares acontecem em grandes complexos chamados Spliceossomos, compostos por proteínas e RNAs nucleares pequenos. Os snrnas identificam seqüências junto aos sítios de splicing dos pré-mrna e catalisam a reação de splicing. Alguns RNAs mitocondriais e bacterianos sofrem auto-splicing, processo no qual a reação de splicing é catalisada por seqüências de íntrons. -Splicing alternativo: Os éxons podem ser unidos em várias combinações como resultado do splicing alternativo, o qual fornece um mecanismo importante para o controle tecido-específico da expressão gênica em eucariotos complexos. Degradação de RNA:: Os íntrons são degradados nos interiores da células e os mrnas anormais, que não apresentam fases abertas de leitura, são eliminados pelo decaimento do mrna mediado pela falta de sentido. Os mrnas funcionais de eucariotos são degradados a taxas diferenciadas, gerando um mecanismo adicional para o controle da expressão gênica. Em alguns casos as taxas de degradação do RNA são regulados por sinais extra-celulares. Elementos reforçadores (enhancers): uma seqüência transcricional reguladora que pode estar localizada em um local distante do promotor. Aumentam a expressão dos genes. Podem estar a 5 do promotor, após o terminador ou até muito distantes dos genes que reforçam. Sua ação requer proteínas que se expressam apenas em algumas células. Terminação: RNAs sintetizados pela RNA pol. III: terminação em regiões muito semelhantes àquelas dos terminadores ρ independentes. RNAS sintetizados pela RNA pol. I: terminação em seqüências específicas localizadas a 1000nt além do final dos RNAs processados. RNAs sintetizados pela RNA pol II: terminação em seqüências difusas que ocorrem a uma distância variável após o final dos RNAs processados. Fatores de transcrição: as RNAs polimerases de eucariotos sempre necessitam de fatores de transcrição (TFs) para iniciar a transcrição. Estes fatores são proteínas específicas que reconhecem os promotores eucarióticos e permitem a ligação da RNA polimerase. 6
7 Estrutura dos Ácidos Nucléicos Nucleotídeos: base + açúcar (pentose) + fosfato, base e açúcar formam a ligação glicosídica. 2 tipos: ácido desoxirribonucléico (DNA) Ácido ribonucléico (RNA) 2 tipos de pentose: Ribose RNA Desoxirribose DNA -Os nucleotídeos ligam-se uns aos outros por pontes fosfodiéster -Estrutura primária do DNA: dupla fita -Características essenciais: complementaridade e antiparalelismo. -Propriedade fundamental entre bases: pareamento Forças que atuam na estabilidade da dupla fita de DNA: Pontes de hidrogênio, forças iônicas, ligações covalente, efeitos hidrofóbicos, forças de Van der Waals. Açúcar + fosfato arcabouço As duas fitas apresentam-se enroladas em torno de um eixo comum (eixo da hélice). Desnaturação e renaturação do DNA: aumento da temperatura, ácidos ou álcalis, agentes desnaturantes (formamida, DMSO). Tradução: Como o mrna é lido? É lido através do código genético: -Relação entre a seqüência de bases do DNA e a seqüência correspondente de aminoácidos na proteína. -Que, por sua vez, é lido em grupos de 3 nucleotídeos (trincas) códons 7
8 -Um códon um aminoácido -Quatro bases (A,U,G,C) 64 combinações possíveis de 3 bases. Propriedade do código genético: degeneração: mais de um códon codifica para o mesmo aminoácido. Ausência de ambigüidade: cada códon corresponde a um único aminoácido. Tradução: processo pelo qual o mrna maduro é lido ou compreendido pelo maquinário ribossômico (rrna e proteínas) e pelo trna. Desta forma os aminoácidos são colocados na ordem correta em uma cadeia polipeptídica formando as proteínas. RNA transportador: serve como adaptador que alinha aminoácidos sobre o molde de mrna. Os trna aminoacil sintetase ligam-se aos AA e as trna apropriados, que então, ligam-se aos códons no mrna pelo pareamento de bases complementares. Ribossomo: contém 2 subunidades, que são compostas de proteínas e RNAs ribossomais. O rrna é o catalisador primário da formação da ligação peptídica. Processo de tradução: é iniciado pela ligação do trna e mrna à subunidade ribossomal pequena. A subunidade grande junta-se ao complexo, e a cadeia polipeptídica estende-se até o ribossomo alcançar um códon de terminação no mrna.uma ampla variedade de fatores não ribossomais é necessária para a iniciação, alongamento e terminação da tradução. Regulação da tradução: a tradução de mrna específicos pode ser replicado pela ligação de proteínas repressoras e por proteínas que posicionam os mrna em regiões específicas da célula. A tradução de alguns mrna é controlada por RNAs não codificantes que direcionam e degradam m RNA homólogos pela interferência do RNA. Finalmente a atividade traducional geral das células pode ser regulada pela modificação dos fatores de iniciação. Propriedades do código genético: universalidade: é o mesmo desde organismos simples a organismos muito complexos. Parece ter surgido muito cedo e permanecido conservado durante a evolução Características de trnas: são moléculas adaptadoras que transferem a informação contida no genoma a uma seqüência de aminoácidos que constitui as proteínas. São capazes de representar somente um aminoácido, ligando-se covalentemente a ele. Contém uma seqüência de trinucleotídeos, o anticódon, que é complementar ao códon do mrna e representa um aminoácido. Etapas da tradução: -Alongamento: o alongamento da cadeia polipeptídica inclui todos os processo, desde a ligação dos primeiros aminoácidos até a adição do ultimo aminoácido do peptídeo. Os aminoácidos são adicionados isoladamente, sendo essa a fase que ocorre mais rapidamente durante a síntese. Após a formação do ribossomo completo no 8
9 processo de iniciação, o alongamento deverá ocorrer de forma contínua. Vários fatores de alongamento (proteínas não ribossomais) também participam desta etapa. -Iniciação: nesta fase ocorre a ligação da subunidade menor do ribossomo ao mrna e a montagem do ribossomo completo. Várias proteínas, chamadas de fatores de iniciação, irão auxiliar nos passos básicos do processo de iniciação. A tradução sempre começa no códon de iniciação, sendo este sempre o codificador de uma metionina (AUG, em procariotos também GUG e UUG). -Translocação: o ribossomo realiza um movimento de translocação, avançando três nucleotídeos no mrna. Com a translocação ocorrem 3 eventos coordenados: o trna não carregado é liberado no sítio P. o trna carregado move-se do sítio A para o sítio P. Uma nova trinca é exposta no sítio A. -Término: a terminação da síntese de proteínas ocorre pelo aparecimento no sítio A de trincas específicas de terminação. No código genético, 61 códons codificam aminoácidos, enquanto os códons UAA, UAG e UGA são os códons de terminação. Existem fatores que estarão relacionados com o término da tradução. Controle da Expressão Gênica em Procariotos Níveis possíveis de controle da expressão gênica: -Transcrição (inicio ou final) -Estabilidade do mrna -Tradução (inicio ou final -Estabilidade da proteína sintetizada O que é a expressão de um gene? Produção do produto final dos genes, e o controle da expressão gênica é o controle desta produção. Mecanismos de controle transcricional -Fator sigma: -Regulação negativa: a regulação ocorre por meio de uma proteína repressora que se une ao DNA. Os genes sujeitos a controle negativo são normalmente expressados, a menos que a transcrição seja impedida pela ligação da proteína repressora ao DNA. Esta ligação do repressor ao promotor (DNA) é regulada por um sinal que pode induzir ou reprimir o repressor. 9
10 -Regulação positiva: aquela mediada por ativadores. Os ativadores unem-se a sítios adjacentes ao promotor, aumentando a afinidade da RNA polimerase por ele e favorecendo, portanto, a transcrição. Sem a presença do ativador, a ligação da RNA polimerase ao promotor pode ser quase nula. Esta ligação do ativador ao promotor (DNA) é regulada por um sinal que pode induzir ou reprimir o ativador. -Assim, nos sistemas induzíveis, a expressão dos genes somente ocorre quando da presença de um indutor. Já nos sistemas reprimíveis, a expressão somente ocorre na ausência do co-repressor. Operon como unidade transcricional e de controle da expressão gênica: O operon é uma unidade de expressão gênica que inclui tanto os genes estruturais como os elementos reguladores que controlam a sua expressão. Quando da transcrição de um operon a partir de seu promotor, um único mrna é sintetizado, contendo as regiões codificadoras (cístrons) das diversas cadeias polipeptídicas. Este mrna, chamado de policistrônico, tem cada um dos cístrons traduzido de forma independente, possuindo seus próprios sítios de ligação ao ribossomo, códons de iniciação e de terminação. Controle da expressão gênica Negativo Positivo Indução Proteína: Repressor Molécula: Indutor Indutor + repressor: não se liga ao operador, OCORRE TRANSCRIÇÃO Apenas repressor: se liga ao operador, SEM TRANSCRIÇÃO. Proteína: Ativador Molécula: Indutor Ativador + indutor: liga-se ao operador, OCORRE TRANSCRIÇÃO Apenas o ativador: não se liga ao operon, SEM TRANSCRIÇÃO Repressão Proteína: Repressor Molécula: Co-repressor Repressor + co-repressor: liga-se ao operador SEM TRANSCRIÇÃO Apenas repressor: não se liga ao operador,então a RNApoli. Se liga e OCORRE TRANSCRIÇÃO Proteína: Ativador Molécula: Co-repressor Co-repressor + ativador: não se liga ao operon, SEM TRANSCRIÇÃO. Apenas o ativador: se liga ao operon, OCORRE TRANSCRIÇÃO Prímer: nucleotídeos de RNA que tem a extremidade 3 OH livre, então a DNA polimerase pode adicionar mais nucleotídeos, a partir dali. Depois os primers são retirados pela ação da DNA polimerase I. 10
11 DNA polimerase III: exonuclease correção de erros 3 5 Gene clássico operadora éxons promotora íntrons Região reguladora Região codificadora Região terminadora 11
12 Referências Bibliográficas BROWN, T.A. Genética, um Enfoque Molecular. 3ª Ed. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Koogan,
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