Prof. Cândida Ivi Aula 00 Biologia Biologia Molecular Professora

Biologia – Perito da PCPE
Aula 00 - Aula Demonstrativa
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Biologia
Biologia Molecular
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Aula
00
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Conteúdo Programático
Biologia Molecular:
Replicação, mutação, recombinação e reparo do DNA,
expressão gênica, organização do genoma humano,
estrutura e organização dos cromossomos, regiões
repetitivas e polimorfismos.
Bioquímica básica e biomoléculas:
Estrutura e função de ácidos nucléicos, proteínas e
enzimas.
Padrões de herança genética; Genética de populações;
Teorema de Hardy-Weinberg; Estrutura de
populações; Evolução; Análise filogenética.
Seleção natural, mutação, deriva, fluxo gênico;
Especiação; Evolução molecular; Evolução humana.
Técnicas de Biologia Molecular:
técnica de PCR, PCR em tempo real, genética forense,
sequenciamento de DNA; técnicas de identificação
usando o DNA, técnicas de coleta e armazenamento
de vestígios biológicos
Organismos geneticamente modificados;
Microbiologia; Diversidade microbiana; Biologia de
microrganismos; Microrganismos patogênicos; Armas
biológicas.
Noções de parasitologia; Noções de imunologia.
Ecologia:
Ecologia de populações e comunidades, ecologia de
paisagens, biomas e ecossistemas brasileiros, fatores
ecológicos.
Zoologia:
Código Internacional de Taxonomia Zoológica,
identificação e classificação taxonômica da fauna
silvestre brasileira, manejo da fauna silvestre
brasileira in situ e ex situ, técnicas de coleta e de
preparo de material zoológico, entomologia forense.
Botânica.
Taxonomia vegetal, identificação anatômica de
madeiras, plantas alucinógenas, técnicas de coleta e
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Data
07/04
12/04
17/04
22/04
27/04
02/05
07/05
12/05
17/05
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de preparo de material vegetal, anatomia e histologia
vegetal, fisiologia vegetal.
Biopirataria e tráfico de animais, vegetais e outros
materiais de origem biológica; Recursos hídricos.
Bioestatística; Avaliação de impactos ambientais e
valoração de danos ambientais.
Noções de microscopia óptica e eletrônica; Sistema de
gestão da qualidade: Definições, requisitos técnicos da
norma ABNT NBR ISO/IEC nº 17.025:2005 (versão
corrigida 2:2006).
Legislação ambiental:
Convenção da Biodiversidade, convenção Internacional
sobre o Comércio de Espécies da Fauna e Flora em
Perigo de Extinção (CITES), Lei nº 9.605/1998,
Decreto nº 6.514/2008 (regulamenta a Lei nº
9.605/1998), Lei nº 9.985/2000, Lei nº 5.197/1967,
Lei nº 12.251/2012 e suas alterações, Resolução do
CONAMA nº 1/1986 (alterada pelas Resoluções nº
11/1986, nº 5/1987 e nº 237/1997), Resolução do
CONAMA nº 237/1997, Lei nº 9.433/1997. 20.11 Lei
nº 11.105/2005.
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22/05
27/05
01/06
06/06
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Conteúdo
Transcrição .......................................................................................................................................... 7
Tradução ............................................................................................................................................. 12
Replicação .......................................................................................................................................... 15
Mutação............................................................................................................................................... 18
Recombinação e reparo do DNA................................................................................................ 19
Recombinação Genética ....................................................................................................................... 19
Reparação do DNA ................................................................................................................................. 22
Expressão Gênica ............................................................................................................................ 24
Controle da Expressão Gênica em Procariotos ............................................................................ 24
Controle da Expressão Gênica em Eucariotos ............................................................................. 26
Epigenética ............................................................................................................................................ 27
Metilação do DNA ................................................................................................................................ 29
Exercícios............................................................................................................................................ 33
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Queridos concursandos, sejam todos bem vindos ao nosso curso de
Biologia para o concurso de perito criminal da PCDF.
Meu nome é Cândida Ivi, sou servidora pública a 11 anos, já fui servidora
do Ministério do Meio Ambiente e atualmente sou servidora da Secretaria de
Educação do DF. Cursei Biologia na Universidade de Brasília e tenho Mestrado
em Educação pela Framingham State University.
Como vocês sabem, o edital já foi publicado, portanto devemos começar a
estudar já. Este curso será baseado no edital de perito criminal da PCDF.
Abordaremos tanto a teoria como exercícios, pois acredito que desta forma a
fixação do conteúdo é mais eficaz. Buscarei mostrar como ele já foi cobrado em
provas anteriores através de muitas questões de concursos. Logo abaixo estão
enumerados os tópicos que serão abordados em cada aula.
00
Biologia Molecular: Replicação, mutação, recombinação e reparo do DNA,
expressão gênica, organização do genoma humano, estrutura e organização dos
cromossomos, regiões repetitivas e polimorfismos.
01
Bioquímica básica e biomoléculas: Estrutura e função de ácidos nucléicos,
proteínas e enzimas.
02
Padrões de herança genética; Genética de populações; Teorema de
Hardy-Weinberg; Estrutura de populações; Evolução; Análise filogenética;
Seleção natural, mutação, deriva, fluxo gênico; Especiação; Evolução
molecular; Evolução humana.
03
Técnicas de Biologia Molecular: técnica de PCR, PCR em tempo real,
genética forense, sequenciamento de DNA; técnicas de identificação usando o
DNA, técnicas de coleta e armazenamento de vestígios biológicos.
04
Organismos geneticamente modificados; Microbiologia; Diversidade
microbiana; Biologia de microrganismos; Microrganismos patogênicos; Armas
biológicas.
05
Noções de parasitologia; Noções de imunologia.
06
Ecologia: Ecologia de populações e comunidades, ecologia de paisagens,
biomas e ecossistemas brasileiros, fatores ecológicos.
07
Zoologia: Código Internacional de Taxonomia Zoológica, identificação e
classificação taxonômica da fauna silvestre brasileira, manejo da fauna silvestre
brasileira in situ e ex situ, técnicas de coleta e de preparo de material zoológico,
entomologia forense.
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08
Botânica: taxonomia vegetal, identificação anatômica de madeiras,
plantas alucinógenas, técnicas de coleta e de preparo de material vegetal,
anatomia e histologia vegetal, fisiologia vegetal.
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Biopirataria e tráfico de animais, vegetais e outros materiais de origem
biológica; Recursos hídricos.
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Bioestatística; Avaliação de impactos ambientais e valoração de danos
ambientais.
11
Noções de microscopia óptica e eletrônica; Sistema de gestão da
qualidade: Definições, requisitos técnicos da norma ABNT NBR ISO/IEC nº
17.025:2005 (versão corrigida 2:2006).
12
Legislação ambiental: Convenção da Biodiversidade, convenção
Internacional sobre o Comércio de Espécies da Fauna e Flora em Perigo de
Extinção (CITES), Lei nº 9.605/1998, Decreto nº 6.514/2008 (regulamenta a
Lei nº 9.605/1998), Lei nº 9.985/2000, Lei nº 5.197/1967, Lei nº 12.251/2012
e suas alterações, Resolução do CONAMA nº 1/1986 (alterada pelas Resoluções
nº 11/1986, nº 5/1987 e nº 237/1997), Resolução do CONAMA nº 237/1997,
Lei nº 9.433/1997. 20.11 Lei nº 11.105/2005.
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Transcrição
A transcrição é o processo pelo qual todos os RNAs celulares são sintetizados,
sendo a etapa inicial da expressão gênica e onde ocorre grande parte da regulação da expressão. As enzimas que catalisam esse processo são as RNA
polimerases (RNAP), que apresentam complexidade crescente durante a evolução. Nos fagos, a RNAP é composta por uma proteína, ao passo que nas
bactérias o complexo ativo contém seis subunidades (α2ββ'ωσ) e nas arqueas
podem ser onze ou doze subunidades. Nesses sistemas há apenas uma RNAP
que sintetiza todas as classes de RNA. Nos eucariotos existem três classes de
euRNAPs nucleares especializadas: a euRNAPI que sintetiza rRNAs (35-45S prérRNA processado nos rRNAs 28S, 18S e 5,8S), a euRNAPII que transcreve todos
os genes que codificam proteínas (mRNAs) e alguns RNAs pequenos nucleares
(snRNAs), e a RNAPIII que sintetiza rRNA 5S, tRNAs e snRNAs. Os eucariotos
contêm ainda RNAPs de organelas e as angiospermas possuem mais duas
RNAPs.
Independentemente da sua complexidade, as RNAPs têm múltiplas atividades:
(1) reconhecem e se ligam à sequências específicas de DNA;
(2) separam a hélice dupla do DNA, expondo a sequência de nucleotídeos a ser
copiada;
(3) mantêm as fitas de DNA separadas na região de síntese do RNA;
(4) mantêm estável o híbrido DNA-RNA na região de síntese;
(5) renaturam o DNA na região posterior à da síntese;
(6) sozinhas ou com o auxílio de proteínas específicas, terminam a síntese do
RNA.
A reação catalisada é a adição de ribonucleotídeostrifosfatados no sentido
5'→3', utilizando uma das fitas do DNA como molde, sem necessitar de
iniciadores para começar a síntese. A transcrição é dividida nas fases de início,
alongamento e terminação. O início da transcrição ocorre em sequências
definidas nos genomas, denominadas promotores, que devem ser
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adequadamente reconhecidos pelo complexo de transcrição. As bacRNAPs
reconhecem os promotores e iniciam a transcrição, quando o fator faz parte do
complexo principal (holoenzima). Por sua vez, as euRNAPs não reconhecem os
promotores com facilidade, necessitando proteínas acessórias, os fatores de
transcrição (TF). Alguns TFs reconhecem e ligam-se aos promotores e recrutam
a euRNAP para montar os complexos de pré-iniciação (PIC), que podem iniciar a
transcrição. Os promotores são mais simples em procariotos e muito complexos
em eucariotos. O início da transcrição ocorre pela desnaturação da hélice dupla
do DNA, que expõe a sequência molde e o primeiro ribonucleotídeo é
incorporado (+1, IT ou TSS). Estabilizado o complexo de iniciação, é iniciada a
fase de alongamento da cadeia em que o fator, nas bactérias, e a maioria dos
TFs, nos eucariotos, é desligada do complexo e a síntese prossegue até o
término da transcrição. O desenrolamento do DNA gera supertorção no DNA a
jusante que é neutralizada por topoisomerases, também atuando a montante
refazendo o superenrolamento original. Nos genes da classe II (mRNAs
eucarióticos), nesta fase, ocorre a adição do 5'-CAP e alguns fatores de
poliadenilação são ligados ao complexo. A transcrição sofre várias pausas
durante a fase de alongamento e nos eucariotos é concomitante com a excisão
dos íntrons pelos spliceossomos. As RNAPs têm capacidade de corrigir erros
durante a transcrição e removem o RNA já sintetizado em complexos
estagnados antes de reiniciar a transcrição. Esses mecanismos de correção de
erro são denominados backtracking e, como na polimerização, são atividades
intrínsecas das RNAPs. A terminação da transcrição nas bactérias é sinalizada
por sequências no RNA sintetizado, reconhecíveis na sequência do DNA
(terminadores intrínsecos), ou ocorre por atividade da proteína Rho que atua no
complexo de transcrição, provocando a sua dissociação. Nos eucariotos a
terminação da transcrição varia de acordo com a classe de euRNAP, mas em
geral ocorre por pausas longas e sequências ricas em Ts. A terminação da
transcrição em eucariotos tende a ser dispersa, em uma região com mais de mil
nucleotídeos do terminal 3' dos genes. Na fase de terminação da transcrição o
complexo é dissociado, liberando o RNA e a RNAP, e o DNA é renaturado. A
cromatina representa uma barreira para a transcrição em eucariotos, e os
nucleossomos são reposicionados durante o alongamento da transcrição. Nos
promotores existem regiões livres de nucleossomos (NFR), o que facilita seu
reconhecimento pelos TFs. Vários complexos participam do remodelamento da
cromatina para a transcrição. A transcrição pode ocorrer em regiões de macroorganização denominadas “fábricas de transcrição”.
Modelo esquemático de organização de um promotor principal de
eucariotos
O iniciador (Inr) contém o sítio de início de transcrição TSS (+1), sendo o
elemento mais comum encontrado em promotores principais. É definido pela
sequência consenso YYANWYY, em seres humanos e TCAKTY, em Drosophila.
Está posicionado entre –2 a +5 e é independente do TATA box. O TATA box e os
elementos Inr são os únicos que sozinhos podem recrutar o PIC para iniciar a
transcrição. Esse elemento é reconhecido por TFIID. O elemento TATA box (é
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um dos principais promotores eucarióticos conhecidos) apresenta a sequência
consenso TATAWAWR e está posicionado entre –31 (ou –30) a –24 em relação
ao Inr (+1). O TATA box foi o primeiro elemento dos promotores principais a
ser descoberto, e é um dos sítios de ligação dos fatores de transcrição mais
estudados. A sequência consenso TATAA liga-se ao fator geral de transcrição
TBP (de TATA bindingprotein), que faz parte do PIC e participa da transcrição
pelas três euRNAPs. TBP e o elemento TATA box são conservados desde Arquea
até seres humanos. TATA box está associado a promotores tecido-específicos
fortes e, com frequência, ocorrem conjuntamente com sequências semelhantes
ao elemento iniciador (Inr -like). TATA box está presente em apenas 10 a 15%
dos promotores principais de mamíferos. Outros dois elementos, BREu e BREd,
atuam em conjunto com o TATA box e tanto aumentam como diminuem os
níveis de transcrição basal. Os elementos BRE (de TFIIB recognitionelement =
elemento que reconhece TFIIB) são sequências de ligação de TFIIB, que podem
ligar-se a montante (BREu) ou a jusante (BREd) do TATA box. BREu apresenta
a sequência consenso SSRCGCC e está posicionado em –38 a –32 e BREd
apresenta a sequência consenso RTDKKKK. Dependendo das sequências do
promotor, BREu e BREd podem aumentar, ou diminuir o nível de transcrição. O
elemento DPE (de downstream promoter element = elemento promotor a
jusante) é um elemento promotor a jusante, importante para a atividade basal
(mínima) de transcrição. Esse elemento tem como sequência consenso RGWYVT
ou RGWYV, e é conservado de Drosophila até seres humanos, estando
localizado nas posições +28 a +33 ou +32, em promotores sem TATA box. Em
geral, DPE atua cooperativamente com elementos Inr e acredita-se que tenha
função semelhante a TATA box no direcionamento da localização do PIC
próximo ao TSS. O espaçamento entre DPE e o elemento Inr é decisivo para a
transcrição máxima. O elemento MTE (de motiftenelement = elemento motivo
dez) apresenta a sequência consenso CSARCSSAACGS e está posicionado em
+18 a +27. Semelhante a DPE, o MTE funciona cooperativamente com Inr e são
elementos de reconhecimento para TFIID. MTE pode atuar independentemente
de TATA e DPE, entretanto, existe sinergia entre MTE e DPE, assim como entre
TEM e o TATA box. Foi construído um super promotor principal contendo TATA,
Inr, TEM e DPE, mais potente que o promotor principal, tanto in vitro como em
cultura de células, mostrando que os níveis de expressão podem ser modulados
pelo promotor principal. O elemento DCE (de downstream core element =
elemento cor a jusante) apresenta três subelementos: SI, CTTC (+6 a +11);
SII, CTGT (+16 a +21); e SIII, AGC (+30 a +34). O DCE frequentemente
ocorre com o TATA box e parece ser distinto de DPE. O elemento XCPE1 (de X
core promoter element 1 = elemento promotor principal X 1) tem a sequência
consenso DSGYGGRASM e está posicionado em –8 a +2. Esse elemento aparece
em cerca de 1% dos promotores principais de genes humanos, sendo a maioria
sem TATA box, e atua em conjunto com ativadores sequência-específicos. O
elemento XCPE2 (de X core promoter element 2 = elemento promotor núcleo X
2) apresenta a sequência consenso VCYCRTTRCMY e está posicionado em –9
~+2. Descoberto no gene X do vírus da hepatite B, mostrou-se também
presente em regiões promotoras de genes humanos e parece possibilitar o início
da transcrição a partir de um dos múltiplos TSSs em promotores sem TATA. As
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ilhas CpG correspondem a segmentos genômicos, nos quais os dinucleotídeos
CG estão super-representados. Tem-se mostrado que cerca de 70% dos
promotores de genes humanos estão associados à ilhas CpG. As ilhas CpG são,
com frequência, associadas a promotores de genes de expressão ubíqua com
promotores principais do tipo disperso. Os nucleotídeos degenerados são
designados
de
acordo
com
os
códigos
da
International
Union
ofPureandAppliedChemistry (IUPAC). D= A, T, ou G; K= G ou T; S= C ou G; Y=
C ou T; R= A ou G; M= C ou A; W= T ou A; V= A, C, ou G.
Todo RNA é produzido a partir de um molde de DNA; a principal diferença entre
a duplicação do DNA e a síntese de RNA é que nesta última são ultilizados
ribonucleotídeos (que contém ribose) e apenas uma das cadeias do DNA serve
de molde para a molécula que está sendo sintetizado. No processo de produção
do RNA, denominado, transcrição genética, as duas cadeias do DNA se separam
e uma delas de molde ao RNA; a outra cadeia do DNA permanece inativa. Ao
final do processo, as cadeias de DNA voltam a se emparelhar, reconstituindo a
dupla-hélice.
A síntese de RNA a partir de DNA é caracterisada pela enzima polimerase do
RNA. Essa enzima une-se a uma das extremidades do gene e começa a separar
as cadeias do DNA, orientando o emparelamento de ribonucleotídeos livres a
uma das cadeias. Esse emparelhamento segue a regra: ribonucleotídeos com
uracila emparelham-se às adeninas da cadeia-molde de DNA (U→A);
ribonucleotídeos com adeninas emparelham-se às timinas do DNA (A→T);
ribonucleotídeos com citosina emparelham-se às guaninas do DNA (C→G);
ribonucleotídeos com guanina emparelham-se às cotisinas do DNA (G→C). À
medida que se emparelham ao DNA, os ribonucleotídeos unem-se por ação da
polimerase do RNA, formando a molécula de RNA. Esta, à medida que é
produzida, desprende-se da cadeia-molde de DNA, que volta a se juntar à sua
parceira.
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Fonte: Biologia Molecular Básica, 2014, p.219
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Tradução
A tradução é um processo no qual haverá a leitura da mensagem contida na
molécula de RNAm pelos ribosomo, decodificando a linguagem de ácido nucleico
para a linguagem de proteína. Agora veremos os mecanismos gerais utilizados
pelas células para sintetizar as suas proteínas. Na tabela do código genético,
estão organizadas as trincas de nucleotídeos presentes nas moléculas de RNA
mensageiro correspondentes aos diferentes aminoácidos. Entre as 64 possíveis
combinações de três nucleotídeos, 61 delas correspondem aos diferentes
aminoácidos, sendo as restantes responsáveis pela finalização da síntese da
proteína. Os códons que representam o mesmo aminoácido podem variar na
terceira posição, sendo possível uma variação total (qualquer das quatro bases
corresponde ao mesmo aminoácido) ou parcial, ocorrendo a substituição dentro
do grupo das purinas ou pirimidinas. As moléculas de tRNAs apresentam uma
estrutura conservada, sendo, no entanto, reconhecidas por aminoacil-tRNAsintetases específicas que realizam a ligação ao aminoácido correspondente. O
tRNA ligado aos seus respectivos aminoácidos (aa-tRNA) contém a sequência do
anticódon que reconhece os códons no mRNA, realizando o pareamento entre
as bases (códon-anticódon). Um tRNA iniciador contendo metionina (tRNAi-Met)
é utilizado no início da síntese de proteínas, pois apresenta a característica de
ligação ao fator iniciador IF2 (procariotos) ou eIF2 (eucariotos) e também de se
ligar ao sítio P parcial do ribossomo. Este tRNAi-Met apresenta uma sequência
de bases no anticódon complementar ao códon AUG presente no mRNA. Os
ribossomos são formados por moléculas de RNA (rRNA) e diversas proteínas,
apresentando uma estrutura conservada entre os diferentes organismos. A
estrutura funcional é formada pela associação das duas subunidades (menor e
maior). Cada subunidade apresenta diferentes centros ativos, todos
relacionados com o processo de síntese de proteínas. Os principais centros
ativos são os sítios P (peptidil), A (aminoacil), E (saída do tRNA desacetilado),
peptidil-transferase e o sítio de ligação do mRNA. Os três primeiros centros
ativos (P, A e E) são formados pela associação das duas subunidades, estando
parcialmente representados em cada subunidade. Entretanto, o sítio de
atividade de peptidil-transferase está localizado na subunidade maior, e o sítio
de ligação do mRNA está presente na subunidade menor do ribossomo. Durante
a síntese de proteínas, os ribossomos carregam dois tRNAs ao mesmo tempo,
sendo um posicionado no sítio P (ligado ao peptídeo nascente) e outro no sítio A
(aa-tRNA). Portanto, o movimento dos tRNAs durante a síntese do peptídeo
ocorre através da entrada no sítio A, onde, após a ligação peptídica, se
movimenta para o sítio P e finalmente é eliminado do ribossomo através do sítio
E. Além destas moléculas de RNA (mRNA, tRNA e rRNA-ribossomo), fatores
proteicos associados são necessários durante todas as etapas da síntese de
proteínas. A síntese de proteínas pode ser dividida em três etapas principais:
início, alongamento e término. Para o início da tradução, são necessários a
subunidade menor do ribossomo, o tRNA iniciador e os fatores iniciadores IF e
eIF. Durante a etapa de alongamento da cadeia peptídica, a subunidade maior
deve se associar originando o ribossomo completo. Nesta etapa, ocorre
também, a participação de fatores proteicos denominados EF ou eEF. Um dos
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fatores EF é responsável pela ligação aos aa-tRNAs e sua apresentação ao sítio
A do ribossomo. Após a reação de peptidil-transferase, outro fator EF se liga ao
sítio A induzindo o movimento total do ribossomo (translocação) e o
posicionamento no sítio A do próximo códon do mRNA. O término da síntese
proteica ocorre quando no sítio A é exposto a um dos códons de terminação.
Esses códons são reconhecidos por fatores de terminação (RF) que são
moléculas de proteína, e não de tRNA, indicando o final da síntese do peptídeo.
Fonte: Biologia Molecular Básica, 2014, p.257
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Proteínas são substâncias essenciaias à estrutura das células vivas, além disso,
elas atuam como enzimas, comandando praticamente todos os processos vitais.
Como já vimos, proteínas podem ser constituídas por um ou mais polipeptídeos.
A síntese de uma cadeia polipeptídea consiste em unir aminoácidos de acordo
com a sequência de códons do RNAm. Como essa sequência é determinada
pelas bases do DNA (gene) que serviu de molde ao RNAm, a síntese de
proteínas representa, portanto, a “tradução” da informação do gene, sendo por
isso chamada de tradução gênica.
No processo de tradução gênica, participam, dentre outros fatores, um
ribossomo, um RNAm, vários RNAt, aminoácidos e diversas enzimas. O
ribossomo encaixa-se em uma das extremidades do RNAm e o percorre até a
outra extremidade. À medida que esse deslocamento ocorre, os RNAt vão
encaixando os aminoácidos na sequência definida pela ordem dos códons do
RNA mensageiro. Dessa forma, a informação inscrita na sequência de bases do
RNAm vai sendo traduzida na sequência de aminoácidos da proteína.
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Replicação
Todas as células replicam seu DNA de maneira semiconservativa, considerando
a complementaridade de bases e o antiparalelismo das fitas duplas de DNA. A
replicação do genoma se origina sempre em um local específico, denominado
origem da replicação, e o número de origens da replicação varia entre os
diferentes organismos. As enzimas que realizam a replicação do DNA, as DNApolimerases, sintetizam as novas fitas de DNA incorporando os nucleotídeos na
extremidade 3'-OH livre. Portanto, uma das fitas novas é sintetizada
continuamente no sentido 5'→3' e a outra fita deve ser sintetizada
descontinuamente, na forma de fragmentos, para manter a incorporação no
sentido 5'→3'. A replicação semi-conservativa do DNA exige que duas cadeias
polinucleotídicas que formam a hélice do DNA se separem, de modo a expor as
bases que irão orientar o emparelhamento dos nucleotídeos para formação das
novas cadeias complementares às cadeias moldes.
A separação de duas cadeias da hélice do DNA ocorre à medida que as novas
cadeias vão sendo sintetizadas. A região de separação das cadeias tem a forma
de uma letra Y e é denominada forquilha de replicação. Os experimentos
mostraram que ambas as cadeias filhas são sintetizadas na forquilha de
replicação por um complexo de enzimas que inclui a polimerase III do DNA.
Como, no entanto, as duas cadeias moldes são antiparalelas, em uma delas a
síntese da cadeia complementar ocorre no sentido 5´→ 3´, mas na outra cadeia
essa síntese teria que se dar no sentido inverso, ou seja, 3´→5´. No entanto,
as duas cadeias são sintetizadas pela polimerase III do DNA, que só catalisa o
crescimento da cadeia no sentido 5´→ 3´.
A explicação para esse paradoxo é que, na forquilha de replicação, uma das
cadeias é sintetizada continuamente por uma polimerase que se move no
mesmo sentido do deslocamento da forquilha. Já a cadeia com polaridade
inversa é sintetizada no sentido inverso ao do deslocamento da forquilha de
replicação, portanto, também no sentido 5´→ 3´. Isso é possível porque, nesse
último caso, a polimeraze sintetiza segmentos polinucleotídicos curtos, que são,
posteriormente, unidos para formar a nova cadeia contínua.
A cadeia que cresce no mesmo sentido que o deslocamento da forquilha de
replicação, e cuja síntese ocorre continuamente, é chamada de cadeia leading.
A cadeia que cresce no sentido oposto ao deslocamento da forquilha de
replicação, e cuja síntese ocorre descontinuamente, é chamada de cadeia
lagging.
Esse modo de replicação do DNA, em que uma das cadeias é sintetizada
continuamente e a outra, descontinuamente, é chamado de síntese
semidescontínua. Costuma-se dizer também qua a síntese do DNA na forquilha
de replicação é assimétrica, pois em uma das cadeias (cadeia leading) ela
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ocorre continuamente, enquanto que na outra (cadeia lagging) ela ocorre de
modo
descontínuo,
em
fragmentos.
Esses
fragmentos
são
denominados fragmentos de Okazaki.
Além da DNA-polimerase, diversas proteínas participam do processo de
replicação, formando um complexo denominado replissomo. Na forquilha de
replicação estão presentes enzimas que rompem pontes de hidrogênio entre as
bases, separam as fitas (helicase) e sintetizam sequências iniciadoras
(primase), fornecendo segmentos nucleotídicos com extremidades 3'-OH livres
(iniciadores) para o alongamento por parte da DNA polimerase. O
reconhecimento da origem de replicação por meio de proteínas específicas é
uma etapa fundamental para o processo de replicação. Em bactérias, como E.
coli, a proteína DnaA é responsável pelo reconhecimento da origem da
replicação, e os sistemas de metilação e o sequestro da origem são
responsáveis pelos mecanismos de controle da ativação da origem da
replicação. Em genomas circulares, o término da replicação ocorre quando duas
forquilhas de replicação se encontram, permitindo a síntese completa das
moléculas de DNA. Em genomas lineares existem alguns mecanismos para
permitir a síntese das extremidades das moléculas, evitando perdas de material
genético.
No processo de duplicação do DNA (também chamado de replicação), as pontes
de hidrogênio que unem as duas cadeias se desfazem e as cadeias se separam.
À medida que as bases de cada cadeia se desemparelham de suas
complementares, nucleotídeos livres presentes na célula unem-se a elas,
respeitando a seguinte regra de emparelhamento: adenina emparelha-se com
timina (A→T) e citosina, com guanina (C→G).
Os nucleotídeos que se encaixam em cada uma das cadeias do DNA em
duplicação vão unindo-se uns aos outros, originando uma nova cadeia
complementar à que serve de molde. Ao final do processo de duplicação,
haverá duas moléculas de DNA idênticas, cada uma formada por uma cadeia
proveniente da molécula original e por uma cadeia nova, recém-sintetizada a
partir da união de nucleotídeos ordenados pela sequência das bases
nitrogenadas da cadeia molde.
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Fonte: Biologia Molecular Básica, 2014, p.112
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Mutação
Todo organismo que exibe uma forma diferente da de seus ascendentes,
resultado da presença de uma mutação, é denominado mutante. Qualquer base
do DNA pode ser mutada. Uma mutação pontual envolve modificação em um
único par de bases (substituição) ou em poucos pares de bases (adição ou
deleção). Devido à grande variedade de tipos e efeitos das mutações, elas são
classificadas de diversas maneiras, podendo uma mesma mutação se enquadrar
em mais de uma classificação. Mutações espontâneas podem surgir devido a
erros durante a replicação do DNA, pelas lesões provocadas por agentes
ambientais, como a hidrólise pela água, ou por lesões oxidativas. A taxa de
mutação espontânea é muito baixa para todos os organismos, mas varia
consideravelmente entre diferentes organismos e, em uma mesma espécie, a
taxa de mutação espontânea varia de gene para gene. A ocorrência de
mutações pode ser aumentada pelo tratamento com determinados compostos,
denominados agentes mutagênicos, causadores de mutações induzidas. Muitos
mutagênicos atuam diretamente no DNA devido a sua capacidade de atuar
como uma determinada base (análogos de base), de incorporar-se à cadeia
polinucleotídica (corantes de acridina), ou de alterar quimicamente as bases
(ácido nitroso e agentes alquilantes). Raios X, gama, cósmicos e luz ultravioleta
também são mutagênicos. Os principais produtos da luz UV, dímeros e hidratos
de pirimidinas, são lesões graves no DNA, para as quais existem vários
mecanismos de reparação. Muitos dos danos sofridos pelo DNA podem ser
reparados, porque a informação genética é preservada em ambas as fitas da
hélice dupla. Erros que ocorrem durante a replicação do DNA são corrigidos pela
capacidade de revisão de leitura da própria DNA-polimerase e pelo sistema de
reparação de maus pareamentos. Dímeros de pirimidinas e outros danos
provocados pela luz UV são reparados por fotorreativação enzimática, reparação
por excisão de nucleotídeos, ou por recombinação. Bases modificadas são
corrigidas pelo sistema de excisão de bases. Bases alquiladas são reconhecidas
por metil-transferases específicas. O sistema de reparação por excisão de
nucleotídeos pode ser dividido em dois subcaminhos: o de reparação global do
genoma e o de genes ativos, que tem a preferência de reparação. Várias
doenças humanas estão associadas aos defeitos nos sistemas de reparação,
como a xerodermapigmentosa, a síndrome de Cockayne e a PIBIDS. Quando o
número de lesões é muito grande, E. coli utiliza o sistema SOS, no qual uma
série de genes envolvidos em diversos mecanismos de reparação têm a sua
expressão induzida. Entre esses genes estão os que codificam as DNApolimerases translesão, fazendo uma reparação sujeita a erro. Quebras duplas
em uma mesma molécula de DNA podem ser corrigidas pela reparação por
recombinação, união de extremidades não homólogas, união de extremidades
mediada por micro-homologias e por anelamento de fitas simples. Todos esses
processos, exceto o por recombinação, provocam mutações no sítio onde
ocorreu a quebra.
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Recombinação e reparo do DNA
Recombinação Genética
O DNA das células é capaz de sofrer rearranjos, que podem ocasionar desde
novas combinações entre os genes presentes em qualquer genoma individual
até alterações qualitativas e quantitativas na expressão desses genes. Esses
rearranjos são realizados pela recombinação genética, na qual duas amplas
classes são reconhecidas: a recombinação homóloga ou geral e a recombinação
sítio-específica.
A recombinação homóloga pode ocorrer em qualquer lugar ao longo de duas
moléculas complementares de DNA e o seu principal resultado é que essas
moléculas de DNA se sobrepõem e trocam partes (crossing-over). O sítio de
troca pode ocorrer em qualquer lugar da sequência de nucleotídeos homóloga
das duas moléculas de DNA envolvidas. Nesse local, uma fita de uma das
moléculas de DNA faz pareamento de bases com uma das fitas da outra
molécula, criando a junção heterodúplex entre as duas diferentes hélices
duplas, que pode ter centenas de pares de bases de comprimento. Não há
alteração nas sequências de nucleotídeos no sítio de troca; a quebra e os
eventos de religação ocorrem de forma tão precisa que não há perda, ganho ou
alteração de nenhum nucleotídeo. O modelo de Holliday demonstra como ocorre
a recombinação entre dois cromossomos homólogos e como ela é resolvida. A
recombinação genética entre sequências de DNA de cromossomos homólogos
permite o resgate de cromossomos quebrados ou incompletamente replicados
em todos os organismos. Existem três tipos de reações de recombinação que
podem mediar a reparação de cromossomos danificados: reparação de
forquilhas de replicação colapsadas, reparação de quebras duplas e reparação
para o preenchimento de lacunas por recombinação. Em E. coli e organismos
superiores, a inativação de proteínas que atuam na recombinação provoca
redução na viabilidade celular e, com uma elevada taxa de lesões no DNA, as
células são levadas à morte. Entre as diversas enzimas participantes da
recombinação homóloga, RecA de E. coli e seus homólogos correspondentes em
outros organismos, Rad51 e Dmc1, têm a função de encontrar a molécula de
DNA correspondente para iniciar um evento de recombinação. Outras proteínas,
como RecBCD, RecFOR e RuvABC, também participam da resolução dos
intermediários da recombinação. Em eucariotos, a recombinação homóloga
também é fundamental para o correto pareamento dos cromossomos durante a
meiose e, assim como em bactérias, envolve uma série de enzimas
especializadas.
Na recombinação sítio-específica, não é necessária uma homologia extensa do
DNA. Neste caso, as trocas ocorridas são curtas. Sequências específicas de
nucleotídeos (sobre uma ou ambas as moléculas de DNA participantes) são
reconhecidas por uma enzima de recombinação sítio-específica, chamadas de
recombinases. As funções da recombinação sítio-específica in vivo incluem: a
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integração e excisão de fagos, a resolução de intermediários na transposição,
as modificações na expressão gênica, a regulação do número de cópias de
plasmídeos, o splicing de genes em nível de DNA e a monomerização de
cromossomos e plasmídeos bacterianos multiméricos. As recombinases
examinadas in vitro podem ser classificadas em duas famílias, com base nas
suas sequências de aminoácidos. Uma família, denominada tirosinorecombinase, é exemplificada pela integrase do bacteriófago, e a outra,
denominada serino-recombinase, pela resolvase do transposon Tn3. Em adição
à recombinase, muitos sistemas necessitam de proteínas acessórias, que
possuem outras importantes funções celulares, por exemplo: IHF, FIS, HU e
ArgR. Na recombinação sítio-específica, estas proteínas estão envolvidas na
curvatura do DNA, na montagem do complexo DNA-proteína e no controle ou
na seletividade das reações.
A recombinação sítio-específica não envolve extensa homologia entre as
seqüências de DNA, como ocorre no crossing-over. Ela necessita apenas que as
seqüências de ligação sejam localizadas por enzimas especializadas, que
catalisam a quebra e a reunião das moléculas. Esse tipo de recombinação é
iniciado por processos reguladores que tornam as enzimas corretas disponíveis.
Na recombinação sítio-específica conservativa, uma molécula de DNA é clivada
em ambas as fitas em dois locais específicos e as extremidades são religadas às
suas novas parceiras. O primeiro passo na recombinação sítio-específica é a
ligação de proteínas (recombinases) a alguns ou a todos os elementos de
reconhecimento de um ou ambos os sítios que irão recombinar. Depois disso,
esses sítios fazem uma sinapse (ou troca de fitas). Não é necessária homologia
entre as partes recombinantes nessa etapa. A complexidade dos sistemas de
recombinação sítio-específica varia muito, e cada sistema tem uma
recombinase específica que reconhece as seqüências de DNA. Freqüentemente,
a região codificadora dessa recombinase está relacionada com seus sítios de
reconhecimento e, algumas vezes, com um elemento reforçador (enhancer)
recombinacional.
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Fonte: Biologia Molecular Básica, 2014, p.166
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Reparação do DNA
Um mutante sobrevive quando a alteração genética sofrida não é prejudicial ou,
em alguns casos raros, é benéfica. A maioria das mutações é desvantajosa e as
células não conseguiriam sobreviver se não possuíssem mecanismos
enzimáticos para reverter os efeitos dos processos mutagênicos, naturais ou
artificiais. Como visto anteriormente, as bases do DNA podem ser alteradas ou
perdidas, as ligações fosfodiéster da cadeia podem ser quebradas e as fitas
livres podem ser cruzadas e covalentemente ligadas. Essas lesões são
produzidas por radiações ionizantes, luz ultravioleta e uma variedade de
compostos químicos. Muitos dos danos sofridos pelo DNA podem ser reparados,
pois a informação genética é preservada em ambas as fitas da hélice dupla, de
forma que a informação perdida em uma fita pode ser recuperada a partir da
fita complementar.
Dentre as inúmeras maneiras existentes de se reparar o DNA, existem algumas
principais. Esses tipos são:
- Fotorreativação Enzimática: é ativada quando dímeros de bases
pirimídicas (Timina, Citosina e Uracila) são formados no material genético por
meio da exposição a raios UV. Nesse caso, a enzima fotoliase se liga ao dímero
e, utilizando a energia proveniente da luz, catalisa a reação de dissociação do
dímero.
- Reparo de bases alquiladas: ocorre quando há a adição de radicais alquila
principalmente o grupo metil no material genético. Nesse caso a enzima Ometilguanina-metiltransferase reconhece essa alteração no DNA e remove o
grupamento metila causador da mutação. Vale lembrar que cada molécula de
CH3 (metil) removida consome uma enzima O-metilguanina-metiltransferase.
Ou seja, não existe uma maneira de se reciclar a enzima que catalisa o reparo.
- Reparo por excisão de bases: acontece, por exemplo, quando ocorre a
desaminação da citosina à uracila. O sistema de reparação, então, reconhece a
uracila como base estranha ao DNA, já que ela é característica de RNA. Como
esse problema ocorre, geralmente, em apenas uma das fitas de DNA, a célula
faz o reparo utilizando a fita não-danificada como molde. Esse processo consiste
na transformação da uracila à citosina – voltando à conformação original – e é
mediado por um complexo enzimático que possui enzimas como a DNA
glicosilase, aAP-endonuclease e, principalmente, a DNA-polimerase.
O sistema de reparo de DNA é extremamente importante para a manutenção da
homeostase – equilíbrio – corporal. Isso se justifica pelo fato de que o corpo
possui mecanismos que, de forma seletiva, atuam nas mutações do material
genético, a fim de corrigi-los. Por ser um processo tão constante e que deve
possuir uma precisão extrema, há a necessidade de que esse seja um processo
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bem específico, com atuações de diferentes enzimas em cada caso, para que
haja uma correção das mutações ocorridas.
Fonte: Biologia Molecular Básica, 2014, p.150
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Expressão Gênica
Controle da Expressão Gênica em Procariotos
Dentre o repertório de genes contidos em um genoma procariótico, aqueles que
devem ser expressos pela célula em um determinado momento, ou em resposta
a fatores internos ou externos, são regulados por mecanismos bem definidos de
controle da expressão gênica. Esses mecanismos podem operar em nível
transcricional ou pós-transcricional. Em nível transicional, um tipo de controle
pode ser exercido pela disponibilidade de diferentes fatores, essenciais para o
início da transcrição. Ainda em nível transcricional, o controle pode ser exercido
por proteínas repressoras (controle negativo) ou ativadoras (controle positivo),
que interagem com sítios específicos no DNA e impedem ou facilitam,
respectivamente, a ligação (ou movimentação) da RNA-polimerase. As
moléculas efetoras nestes casos são os indutores ou correpressores, moléculas
pequenas (metabólitos) cuja disponibilidade no meio modulará a resposta
transcricional, pela interação com os repressores ou ativadores. Os genes
sujeitos a esse tipo de controle estão muitas vezes organizados sob forma de
óperons, conjuntos policistrônicos de controle transcricional. Outro nível de
controle transcricional pode ser exercido por meio da formação seletiva de
grampos de terminação, acoplados ao processo de tradução, no mecanismo de
atenuação da transcrição.
Com relação ao controle póstranscricional, diversos mecanismos tem sido
descritos. Um primeiro envolve a ligação de proteínas à extremidade 5' do
mRNA, bloqueando a tradução pelo ribossomo. Uma modulação deste
mecanismo poderia ocorrer pela disponibilidade de sRNAs reguladores, com
múltiplos sítios de alta afinidade por estas proteínas, e que as removeriam de
circulação. Outra forma, ainda, de ação dos RNAsriborreguladores envolve sua
ligação, por complementaridade e emparelhamento de bases, à extremidade 5'
do mRNA cuja tradução será regulada. Em um controle positivo da tradução, a
ligação do sRNAriborregulador ao seu alvo desfaz uma estrutura secundária
(grampo) que bloqueava o acesso do ribossomo ao seu sítio de ligação.
No controle negativo, a ligação do riborregulador ao alvo bloqueia o sítio de
ligação ao ribossomo. Finalmente, um nível diferenciado de controle da
expressão gênica é exercido pelos ribocomutadores, capazes de interagir
diretamente com metabólitos por meio da formação de estruturas secundárias
bem definidas no RNA, e exercer dois níveis de controle: transcricional,
mediado pela formação/remoção de grampos de terminação; ou póstranscricional, regulando o início da tradução pela acessibilidade do sítio de
ligação ao ribossomo.
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Fonte: Biologia Molecular Básica, 2014, p.294
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Controle da Expressão Gênica em Eucariotos
A regulação da expressão dos genes em células eucarióticas envolve a
modificação da cromatina, possibilitando a ativação da transcrição, as
modificações posteriores para dar origem ao RNA mensageiro, o transporte
desse RNA para o citoplasma e a sua tradução em uma proteína. Um dos níveis
importantes da regulação é o início da transcrição, em que sequências
reguladoras são reconhecidas pela maquinaria de transcrição, possibilitando a
ativação do gene e levando à síntese de RNA. As sequências reguladoras
presentes nos promotores e reforçadores dos genes são reconhecidas pelos
fatores de transcrição, que podem ser basais, necessários para a expressão de
todos os genes transcritos por um determinado tipo de RNA-Pol, ou específicos,
que incluem os ativadores, os coativadores, os repressores e os correpressores.
Os ativadores são constituídos de domínios funcionais que possibilitam o
transporte para o núcleo, o reconhecimento das sequências reguladoras dos
genes, a ativação da transcrição e a interação com outras proteínas. Grande
parte dos fatores de transcrição eucarióticos conhecidos apresenta um dos
seguintes motivos estruturais para ligação ao DNA: homeodomínio, dedo de
zinco (zincfinger), zíper de leucina (leucinezipper), hélice-alça-hélice (helixloop-helix) e hélice “alada” (winged-helix). Junto com os promotores, os
reforçadores exercem uma função muito importante na regulação da expressão
gênica, pois eles são reconhecidos por ativadores que, com a participação de
outros fatores (coativador, mediador), interagem com o complexo multiproteico
basal de transcrição, aumentando o nível da transcrição. No núcleo da célula
eucariótica, a modificação das histonas e o remodelamento da cromatina são
fatores importantes no processo de regulação da expressão. As histonas e, em
particular, suas porções aminoterminais caracterizam-se por apresentar um
grande número de modificações, como metilação de resíduos de arginina;
metilação, acetilação, ubiquitinação, ADP-ribosilação e sumoilação de resíduos
de lisina; e fosforilação de resíduos de serina e treonina. A cromatina pode ser
modificada por complexos remodeladores, que utilizam a hidrólise do ATP para
alterar os contatos histona-DNA. O remodelamento da cromatina pode provocar
um desenrolamento transitório entre o DNA e os octâmeros de histonas,
facilitando o acesso de fatores de transcrição ao DNA. A expressão gênica
regulada por hormônios lipossolúveis, como hormônios esteróides, ácido
retinóico e hormônios da tireoide, é um exemplo de regulação que envolve
muitas proteínas. A regulação de lócus multigênico, como o do gene da βglobina, envolve a participação de elementos regulatórios (LCR) localizados em
regiões bastante distantes dos genes que eles controlam. A regulação da
expressão pode envolver os RNAs não codificadores (ncRNA) e pode ocorrer,
também, em etapas posteriores ao início da transcrição, como, por exemplo,
nas etapas que envolvem as modificações do RNA precursor. A participação de
pequenos RNAs, como os miRNAs e siRNAs, no controle da tradução ou na
degradação dos mRNAs contribui de forma importante para a regulação da
expressão gênica. Por fim, essa regulação também pode ocorrer na tradução do
mRNA ou na sua localização celular.
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Epigenética
Já parou para se perguntar como pode existir uma mesma informação genética
para cada célula e termos uma quantidade enorme de tipos de células com
diferentes funções? A epigenética pode tentar explicar.
Epigenética é um termo referido como uma informação genética extra que com
ajuda de modificações de cromatina e de DNA ajudam ou inibem determinados
genes.
A expressão gênica segue uma ordem: DNA→RNA (transcrição) → Proteína
(tradução), mas cada célula expressa um número restritos de genes, por
exemplo um neurônio não expressa hemoglobina nem mioglobina, porém
expressa dopamina. Já uma célula muscular não expressa hemoglobina nem
dopamina, mas expressa mioglobina.
Sendo assim, no neurônio o gene da hemoglobina foi epigeneticamente
silenciado pelas marcas epigenéticas.
As marcas epigenéticas são marcas pontuais que marcam ou desmarcam o os
genes. Dependendo da pontualidade da marca, pode expressar (ativar) ou não
expressar (silenciar) o gene.
As principais alterações epigenéticas são:
1. Metilação de DNA: Ocorre metilação nas ilhas CpG feitas por
metiltransferases. CpGs são frequentemente regiões promotoras de genes
(promotor estão no início do gene, onde ocorre a ligação com a maquinária
de transcrição). A metilação nas ilhas CpG fazem o silenciamento da
expressão gênica.
2. Modificações pós-tradução de histonas: As histonas pode sofrer metilações,
ubiquitinação, fosforilação, sumolação, acetilação de resídíos na calda Nterminal das histonas. Acetilação é correlacionado com ativação dos genes,
pois provoca mudanças de carga entre as histonas (+) e DNA (). As metilações podem ativar o locus ao redor do promotor (H3k4me) ou
inativar o locus do genes de heterocromatinas constitutivas (H3K9me) e
facultativas (H3K27me).
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3. Remodelação da cromatina: Fator epigenético ATP-dependente o qual usa
energia da hidrólise do ATP para mover o nucleossoma. Isso causa
alterações da compactação da cromatina, deixando mais denso ou
empacotado, espalhado ou desempacotado nos locais de início da
transcrição.
4. Histonas variantes: Diferentes histonas variantes existem para H2A, H3 e
H1. Cada variente apresenta propriedades específicas, usadas para
diferentes funções. Ex: Aumentar estabilidade e diminuir a estabilidade,
modificar aminoácidos como a serina, outros que ainda não são entendidos.
Exemplo de uma histona variente é a histona variante do centrômero CENP-A (diferentes nomes para outras espécies), histona H2AX envolvida no
reparo do DNA, macroH2A envolvida na inativação do cromossomo X. E
muitas outras varientes.
5. Noncoding RNAs: Existem várias classes de pequenos, médios e longos
noncoding RNAs, mas temos alguns em destaques.
5.1.
MicroRNAs (miRNAs): Tem um papel importante no silenciamento
de genes pós-transcrição.
5.2.
Piwi-intericting RNAs (piRNAs): Controla elementos transponíveis e
direciona metilação de DNA em elementos transponíveis
5.3.
Long non-coding RNAs (lncRNAs): Parecem agir diretamente como
maquinaria
epigenética
e
estabelece
diferentes
estados
epigenéticos. Um dos grandes representantes é o Xist. Este tem a
função de inativar o cromossomo X, recentemente manipulado em
pesquisa científica com objetivo de inativar o cromossomo 21 em
cultura de células, dando perspectivas de contribuição para
síndrome de down.
Epigenética tem prometido muito para estudos de câncer. São visto aberrações
epigenéticas de metilação de DNA (hipermetilação ou hipometilação), de
modificações de histonas e variações, de arquitetura nuclear e de noncoding
RNAs.
Isso causa implicações clínicas para controle das aberrações, procurando-se por
diagnóstico usando biomarcadores de alterações epigenéticas, prognósticos com
alterações específicas e terapia com inibidores de modificação epigenética.
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Metilação do DNA
A metilação consiste na adição de grupamentos metila a base citosina (C) do
DNA, dependendo de suas posições na molécula, tanto o DNA procariótico
quanto o eucariótico podem ser metilados; a metilação é catalizada por
enzimas, sendo fundamental na regulação do “silenciar dos genes”, regulação
das funções das proteínas, metabolismos de RNA além de estar presente no
metabolismo da bactéria.
A modificação química dos nucleotídeos é importante para a regulação de genes
em eucariontes principalmente em mamíferos. Uma determinada quantidade
dos pares de bases G-C são modificados pela adição de um grupo metila a
citosina.
A metilação da citosina sempre ocorre em duplas de pareamento de bases
como segue abaixo:
5' mC p G3'
3'G p Cm 5'
mC representa a metilcitosina e
p indica a ligação fosfodiéster entre as bases de um filamento de DNA.
Essa estrutura pode ser abreviada simplesmente dando a composição de um
filamento mCpG
Os dinucleotídeos CpG juntamente com as enzimas de restrição que são
sensíveis a modificação química em seus sítios de reconhecimento digerem o
DNA; as enzimas de restrição são divididas em várias classes, dependendo da
estrutura, da atividade e dos sítios de reconhecimento e clivagem.
A enzima Hpall reconhece e cliva (corta) a sequência CCGG, porém quando a
segunda citosina nesta sequência é metilada, Hpall não pode mais clivar a
sequência.
Os dinucleotídeos CpG contém junto de si vários elementos curtos de DNA
tendo uma densidade muito mais alta de C e G que qualquer outra região do
genoma, estes segmentos são chamados de ilhas de CpG.
Metilação no genoma humano:
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No genoma Humano, existe cerca de 45.000 destas ilhas, a maioria próximas
ao sítio de início da transcrição, porque as citosinas que estão próximas a
essas ilhas nunca são metiladas e este estado não metilado conduz a
transcrição.
Onde o DNA metilado é encontrado a transcrição é restrita, como exemplo o
cromossomo X inativo de algumas fêmeas de mamíferos que é extensamente
metilado. Os mecanismos que fazem com que o DNA metilado seja
transcricionalmente silencioso não são bem compreendidos.
Pórem sabe-se que duas proteínas que reprimem a transcrição se ligam ao
DNA metilado, uma delas se chama MeCP2 e causa mudança na cromatina,
entretanto é possível que os dinucleotídeos metilados CpG liguem mais
proteínas específicas desconhecidas e que essas proteínas formem um
complexo que evita a transcrição de genes vizinhos.
Exemplo de metilação em DNA dos mamíferos:
Quando ocorrem casos em que um gene é controlado por sua origem parental,
por exemplo um gene conhecido como H19 é expresso quando é herdado da
mãe, mas não é expresso quando é herdado do pai, ou seja, a expressão do
gene esta condicionada a origem parental, os geneticistas dizem que esse gene
foi imprintado, quer dizer que o gene foi marcado de algum modo, para que
“lembre” de qual genitor veio.
A marca que condiciona a expressão de um gene é a metilação de um ou mais
dinucléotideos CpG na vizinhança do gene, esses dinucleotídeos metilados são
inicialmente formados na linhagem germinativa parental.
Fonte: http://genetica.ufcspa.edu.br/seminarios%20monitores/epigenetica_texto_2007.pdf
Figura 27: as bases em vermelho são as citosinas, essa ramificação indica a adição de grupamento metila a base.
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Exemplo de metilação em bactérias:
Na metilação de bactérias o grupo metil (CH3) são adicionados a determinados
locais do DNA para impedir que ele seja destruído por enzimas de restrição. A
metilação do DNA acontece, quando as bactérias são invadidas por vírus
bacteriófago, elas se defendem do vírus através do seu sistema imunológico
cortando o DNA do vírus em pedacinhos; para realizar esse procedimento as
bactérias desenvolveram uma série de enzimas de restrição (restringem o
ataque do vírus a bactéria) que reconhecem seqüências especificas de DNA do
vírus, e cortam o DNA no meio dessas seqüências.
As enzimas de restrição distinguem entre o DNA bacteriano e o DNA do vírus
através do metil que está ligado a certas seqüências do DNA da bactéria, não
cortando portanto o DNA bacteriano.
Porém o vírus não tem essa enzima de restrição e quando ele injeta o seu DNA
na bactéria, esse não contém nenhuma proteção, ou seja, nenhum metil para
impedir que a enzima de restrição o corte em pedacinhos.
Eco R1 em E.coli e BamH1: nome de duas enzimas de restrição somente de
bactérias.
Metilases: Enzimas que realizam a metilação do DNA.
Alguns exemplos de metilação nos seres Vivos:
Bactérias: O DNA bacteriano possui certas sequências metiladas que se
distingue do DNA exógeno do vírus não-metilado que é introduzido, as
bactérias usam proteínas chamadas de enzima de restrição para cortar
qualquer DNA viral não metilado.
Eucarióticos: No DNA eucariótico, as bases citosina são metiladas para formar
o 5-metilcitosina, os organismos eucarióticos se diferem muito em seu grau de
metilação:
Células animais: 5% citosinas metiladas.
Plantas: mais de 50% citosinas metiladas.
Células de leveduras: nenhuma metilação de citosina detectada.
Ainda não está claro por que os organismos eucarióticos se diferem tanto em
seu grau de metilação.
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Consequências da metilação:
A metilação afeta a estrutura da molécula de DNA, e conseqüentemente o
desenvolvimento da célula. As seqüências que são metiladas não são
transcritas, enquanto as seqüências sem metilação estão sendo transcritas
ativamente.
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Exercícios
1. A respeito dos ácidos nucléicos (DNA e RNA) podemos afirmar que:
A) gene é um segmento de RNA capaz de produzir proteína.
B) a uracila é a base nitrogenada exclusiva do DNA.
C) a duplicação do DNA é dita semiconservativa porque cada novo DNA
conserva metade do DNA antigo.
D) a pentose do DNA é a ribose.
E) durante a transcrição, os dois segmentos do DNA permanecem ativos.
2. Para que possa ocorrer a síntese de proteínas, devem ocorrer em
ordem os seguintes eventos:
A) replicação, transcrição e tradução.
B) transcrição, replicação e tradução.
C) transcrição e tradução.
D) tradução, transcrição e replicação.
E) replicação e transcrição.
3. A molécula de DNA é constituída por:
A) uma cadeia de polipeptídeos unidos por pontes de hidrogênio.
B) duas cadeias de polipeptídeos formando uma dupla hélice.
C) uma cadeia de nucleotídeos que tem a capacidade de se replicar.
D) duas cadeias de nucleotídeos unidas por pontes de hidrogênio.
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E) duas cadeias de bases azotadas unidas por polipeptídeos.
4. Numa molécula de DNA, a quantidade de...
A) adenina mais timina é igual à de citosina mais guanina.
B) citosina mais uracila é igual à de timina mais adenina.
C) uracila mais adenina é igual à de citosina mais guanina.
D) guanina mais timina é igual à de citosina mais uracila.
E) adenina mais citosina é igual à de guanina mais timina.
5. O esquema seguinte representa duas cadeias de ácidos nucleicos.
Podemos concluir que...
A) I e II correspondem a duas moléculas de RNA.
B) I e II correspondem a duas cadeias de uma molécula de RNA.
C) I e II correspondem a duas cadeias de uma molécula de DNA.
D) I corresponde a uma cadeia de ADN e II a uma cadeia de RNA.
E) I corresponde a uma cadeia de RNA e II a uma cadeia de DNA.
6. O esquema seguinte é referente à estrutura do DNA. Os algarismos
1, 2 e 3 representam,respectivamente...
A) base azotada, desoxirribose e fosfato.
B) base azotada, fosfato e desoxirribose.
C) fosfato, desoxirribose e base azotada.
D) fosfato, base azotada e desoxirribose.
E) desoxirribose, fosfato e base azotada.
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7.
Leia as afirmativas abaixo:
I. A troca de uma única base na molécula de DNA leva, obrigatoriamente, à
substituição de um aminoácido na cadeia polipeptídica correspondente.
II. A duplicação do DNA ocorre de maneira semiconservativa.
III. A DNA polimerase é uma enzima especial que está diretamente envolvida
na duplicação da molécula de DNA.
A afirmativa está CORRETA em:
A) I, II e III.
B) I e II, apenas.
C) I e III, apenas
D) II e III, apenas.
E) II, apenas.
8. (UFPE) O esquema da figura à baixo relaciona-se com os ácidos
nucléicos.
Assinale as afirmativas verdadeiras e as afirmativas falsas.
( ) Em 1, o DNA está acoplado a uma cadeia de RNA, dando início ao processo
de síntese de proteínas.
( ) Em 2, a dupla cadeia de nucleotídeos do DNA apresenta uma região de
separação, com rompimento de pontes de hidrogênio.
( ) A RNA polimerase é a enzima responsável pela replicação do RNA.
( ) Em 3, é exemplificada a formação de uma molécula de RNA – mensageiro,
contendo informações transcritas a partir do DNA.
( ) Uma molécula de DNA com a seqüência de bases GCGTATTAT produzirá um
RNA-m com a seqüência de bases: CGCCAUAAUA.
A afirmativa está CORRETA em:
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A) FVVFF
B) FVFVV
C) VFVFV
D) FFVFF
E) FVFVF
9. (PUCCamp-SP) Os itens a seguir referem-se à estrutura, composição
e função dos ácidos nucléicos.
– Estrutura:
I. dupla hélice
II. cadeia simples
– Composição:
1. presença de uracila
2. presença de timina
– Função:
a. síntese de proteínas
b. transcrição gênica
São características do ácido ribonucléico:
A) I – 1 – a
B) I – 2 – b
C) II – 1 – a
D) II – 1 – b
E) II – 2 – b
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10. (UFSM-RS) Numere a 2ª. Coluna de acordo com a 1ª.
Coluna 1
1 – DNA
2 – RNA
Coluna 2
(
) Dupla hélice
(
) Ribose
(
) Fita única ou simples
(
) Desoxirribose
(
) Bases nitrogenadas: adenina, guanina, citosina, timina
(
) Bases nitrogenadas: adenina, guanina, citosina, uracila.
A seqüência correta é:
A) 1 – 2 – 1 – 2 – 2 – 1
B) 2 – 1 – 1 – 2 – 2 – 2
C) 1 – 2 – 2 – 1 – 1 – 2
D) 2 – 1 – 2 – 1 – 1 – 2
E) 1 – 1 – 2 – 2 – 2 – 1
11. (Cefet-PR) Do melhoramento genético passando pela engenharia
genética, processos de clonagem e transgênicos, os conhecimentos
sobre os ácidos nucléicos têm gerado tecnologias de grande utilidade
para a humanidade. Assinale a alternativa que contém uma proposição
incorreta acerca do funcionamento dos ácidos nucléicos.
A) Transcrição gênica é o processo de fabricação de RNA a partir de um modelo
de DNA.
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B) As moléculas de DNA são capazes de se reproduzir por meio de um processo
conhecido como duplicação semiconservativa.
C) Se uma cadeia de DNA apresenta a seqüência de bases: ATTGCTGCGCATT, a
outra cadeia apresenta na região correspondente a seqüência complementar:
TAACGACGCGTAA.
D) O RNA diferencia-se do DNA principalmente por possuir como açúcar a
pentose e a base nitrogenada uracila em lugar da timina.
E) Cada aminoácido é codificado por um grupo de quatro bases chamado de
códon.
12. (UFRGS-RS) Cinco amostras com ácidos nucléicos foram analisadas
quimicamente e apresentaram os seguintes resultados:
I)
1ª. amostra: ribose
II)
2ª. amostra: timina
III)
3ª. amostra: dupla hélice
IV)
4ª. amostra: uracila
V)
5ª. amostra: 20% de guanina e 30% de citosina
Entre estas amostras, quais se referem a DNA?
A) Apenas I e II.
B) Apenas I e III.
C) Apenas II e III.
D) Apenas II e IV.
E) Apenas II e V.
13. (UFRGS-RS) Cinco amostras com ácidos nucléicos foram analisadas
quimicamente e apresentaram os seguintes resultados:
I) 1ª.amostra: ribose
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II) 2ª. amostra: timina
III) 3ª. amostra: dupla hélice
IV) 4ª. amostra: uracila
V) 5ª. amostra: 20% de guanina e 30% de citosina
Entre estas amostras, quais se referem a DNA?
a) Apenas I e II.
b) Apenas I e III.
c) Apenas II e III.
e) Apenas II e IV.
e) Apenas II e V.
14.
(Fuvest-SP)
Um
pesquisador
que
pretende
estudar
comparativamente a síntese de DNA e RNA em uma célula deve usar
nucleotídeos radioativos contendo:
A) timina e uracila
B) guanina e timina
C) citosina e guanina
D) adenina e timina
E) citosina e uracila
15.(Med. Santos-SP) Na hidrólise de ácidos nucléicos, as bases
pirimídicas produzidas pelo RNA são:
A) citosina e guanina
B) adenina e uracila
C) citosina e timina
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D) adenina e timina
E) citosina e uracila.
16. (UFMS) Os ácidos nucléicos são as moléculas “mestras” da vida.
Elas são “responsáveis” pela síntese de todas as enzimas que
controlam, de alguma forma, a atividade celular. Relacione os ácidos
nucléicos com suas características.
I) DNA
II) RNA
A) açúcar da molécula = desoxirribose
B) açúcar da molécula = ribose
C) presença de timina
D) presença de uracila
E) cadeia dupla
F) cadeia simples
G) capacidade de autoduplicação
Está(ão) correta(s) a(s) associação(ões):
01) I – A
02) II – B
04) II – G
08) I – C
16) I – F
32) II – E
64) II – D
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17. (FEPA) O DNA e o RNA são constituídos de muitas unidades, os
nucleotídeos. Cada nucleotídeo é constituído por um grupo fosfato, uma
pentose e uma base nitrogenada. A diferença entre DNA e RNA está:
A) na pentose e nas bases nitrogenadas.
B) no fosfato e nas bases nitrogenadas.
C) na pentose e no fosfato.
D) na pentose, nas bases nitrogenadas e no fosfato.
E) apenas nas bases nitrogenadas.
18. (Perito criminal/PCDF/2012) Uma nova proposta para estimativa
de idade da vítima, que não está ainda em uso, é a avaliação de
modificações epigenéticas. Todos os tecidos de um organismo são
afetados pela idade, e esse processo aparentemente está associado a
modificações epigenéticas. Trabalho recente com avaliação do perfil de
metilação de DNA de determinados genes em diferentes tecidos
mostrou que há o que está sendo chamado de “assinatura epigenética
de idade”. Com a continuação desses estudos, é provável que, no
futuro, seja possível extrapolar a idade de uma vítima pela análise do
perfil epigenético de tecidos específicos. As modificações epigenéticas
descritas no texto estão, portanto, diretamente relacionadas à idade e,
quando presentes em um gene, espera-se que ocorra o (a)
A) mutação no gene
B) silenciamento do gene
C) produção constitutiva do gene
D) aumento da taxa de reparo no gene.
E) aumento da taxa de transcrição do gene
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