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Relatório Teórico
Biologia Molecular e Celular
2ª Aula
Química Industrial 1º Ano
2017/2018
GUSTAVO PINHO MAIA 2
Índice
Célula Eucariótica ___________________________________________________________3
Constituição do Núcleo _____________________________________________________3
Invólucro Nuclear _______________________________________________________3
Poros Nucleares ______________________________________________________5
Cromatina ______________________________________________________________6
Estrutura do Cromossoma __________________________________________________8
Estrutura do DNA_________________________________________________________10
Modelo de Watson e Crick ________________________________________________10
Dupla Hélice _________________________________________________________11
Modelos para várias estruturas de DNA conhecidas________________________13
Melting Temperature____________________________________________________14
DNA Mitocondrial_______________________________________________________15
Estrutura do Genoma Eucariótico _________________________________________16
GUSTAVO PINHO MAIA 3
Célula Eucariótica
Constituição do Núcleo
Em contraste com os compartimentos citoplasmáticos, os domínios nucleares não são
delimitados por membranas. O núcleo é constituído por:
• Invólucro Nuclear – Involucro nuclear delimita massa viscosa e amorfa
• Cromatina – Cromatina complexo de cromossomas, histonas e proteínas não
histónicas
• Matriz Nuclear – É constituída por uma rede de proteínas fibrosas
• Nucléolos – Envolvidos na síntese de RNAr, pequena e grande subunidade do
ribossoma
• Nucleoplasma – Constituído por fluido com os solutos nucleares dissolvidos.
Invólucro Nuclear
São duas membranas nucleares paralelas, que separam o material genético existente no
núcleo do citoplasma, com um espaçamento intermembranar de 10 a 50 nm. Tem como
função impedir iões solutos e macromoléculas de atravessarem do núcleo para o citoplasma
e vice-versa.
Contém poros nucleares, quer são grandes complexos de proteínas que atravessam o
involucro nuclear. As proteínas que formam esses poros são conhecidas como
nucleoporinas. Eles são unicelulares, responsáveis para a digestão celular. Existem cerca
de 3000 poros no involucro nuclear.
GUSTAVO PINHO MAIA 4
Além disso, a membrana externa do involucro nuclear, contém ribossomas, já que na lamina
interior do involucro nuclear, acumula-se uma rede de filamentos muito densa, denominada
lamina nuclear que serve de suporte mecânico e também como local de fixação das fibras
de cromatina.
O invólucro nuclear tem uma organização estrutural complexa que sofre modificações ao
longo do ciclo celular. A sua superfície aumenta durante a interfase, em particular ao longo
da fase S, de modo a adaptar-se ao volume de DNA sintetizado. Durante a fase M da mitose
ocorrem modificações mais evidentes do invólucro nuclear (fosforilação/desfosforilação).
Nota: A lamina nuclear está presente na superfície interna do involucro nuclear, e é uma
rede de filamentos, pertencentes á superfamília de polipeptídeos dos filamentos
intermédios, polipéptidos com 10 nm de diâmetro, ao qual denominamos de lamininas.
Tem um papel fundamental no suporte mecânico do involucro nuclear e servem também
como local de ligação das fibras de cromatina.
Nota:
A fosforilação de resíduos de serina (aminoácido), provoca a despolimerização do
envelope nuclear durante a prófase da mitose.
GUSTAVO PINHO MAIA 5
Poros Nucleares
Os poros nucleares permitem a troca de substâncias (RNA e proteínas) em ambas as
direções entre o núcleo e o citoplasma. A duplicação e transcrição do material genético, no
núcleo, depende de proteínas sintetizadas no citoplasma e que têm de ser transportadas
através do involucro nuclear. Da mesma forma, mRNA e tRNA, são produzidos no núcleo e
transportados para o citoplasma.
Aprofundando um pouco mais, iremos ver o
complexo do poro nuclear (CPN). Cada poro é
constituído por 2 anéis co-axiais com 120 nm de
diâmetro, um virado para a superfície citoplasmática
e outro para a superfície nucleoplasmática.
Os anéis estão ligados um a outro e á membrana do
poro por subestruturas que conferem ao conjunto
uma simetria octagonal.
Na porção central do poro nuclear encontra-se o grânulo central. Além disso, existem
também filamentos que se projetam do anel citoplasmático em direção ao citoplasma.
Filamentos de outro tipo conectam o anel nucleoplasmático com um anel intracelular de
menor diâmetro formando, no seu conjunto uma estrutura com forma de “cesto”.
Solutos de baixo peso molecular (incluindo proteínas até 40 kDa) penetram no núcleo por
difusão passiva através do CPN.
Para impedir a entrada de moléculas indesejadas ou de grandes dimensões no núcleo,
existe no CPN a sequência de localização nuclear (NLS) que é constituída por aminoácidos
GUSTAVO PINHO MAIA 6
com carga positiva junto ao C-terminal. A substituição de um aminoácido nesta sequência
impede a entrada da molécula no núcleo.
A entrada e a saída de moléculas grandes do núcleo celular é altamente controlado pelos
complexos de poros nucleares. Apesar de pequenas moléculas poderem entrar no núcleo
sem regulação, as macromoléculas como o RNA e as proteínas requerem uma associação
com carioferinas denominadas importinas para entrarem no núcleo e exportinas para sair.
Na figura seguinte, visualizamos a importação de proteínas do citoplasma para o núcleo.
Cromatina
A cromatina é uma estrutura fibrosa constituída por DNA associado a uma quantidade igual
de proteínas básicas, as histonas, e proteínas não histónicas. As histonas H2A, H2B, H3 e
H4 unem-se, formando um octâmero denominado nucleossoma, enquanto que a histona
H1 une os nucleossomas adjacentes, "empacotando-os", visto que a molécula de DNA "dá"
uma volta e meia em torno do octâmero de histonas. É essencial existir a histona H1 para
estabilizar este enrolamento.
GUSTAVO PINHO MAIA 7
Existem dois tipos de cromatina:
• Eucromatina – Consiste em DNA ativo, ou seja, que se pode expressar como
proteínas e enzimas. É a zona mais ativa do genoma. A sua estrutura está mais
descondensada.
• Heterocromatina – Consiste em DNA inativo e que parece ter funções estruturais
durante o ciclo celular. Corresponde ás regiões menos ativas e inativas do genoma.
Tem estrutura condensada e mantém o seu grau de condensação durante o ciclo
celular. Tem como funções principais:
▪ Proteção da eucromatina contra quebras e rearranjos.
▪ Regulação do emparelhamento dos cromossomas.
▪ Controlo do mecanismo de transporte ao nível dos poros nucleares.
▪ Estabilização de certas regiões cromossómicas, como por exemplo,
o centrómero e o telómero.
▪ Contribuição para a especiação e evolução, devido á facilidade com
que se dão rearranjos cromossómicos nestas zonas que conduzem
á evolução dos cariótipos.
GUSTAVO PINHO MAIA 8
Estrutura do Cromossoma
O DNA é produto responsável por portar, ou seja, armazenar a informação genética da
espécie, seja ela procariótica ou eucariótica.
Nas células eucarióticas, o DNA está presente no núcleo celular. No corpo humano existem
cerca de 3 bilhões de bases nitrogenadas, que não estão em uma única fita continua, mas
sim distribuídas em várias fitas de DNA. A essas várias de DNA onde está distribuído o
nosso material genético, nós denominamos de cromossomas.
O cromossoma nada mais é do que uma extensa cadeia de apenas uma única dupla fita
de DNA que contém informações genéticas daquele organismo. Todos os seres eucarióticos
possuem cromossomas.
Relativamente aos seres humanos, possuem 23 pares de cromossomas, pois 23
cromossomas são provenientes da mãe e 23 cromossomas são provenientes do pai. Destes
23 pares de cromossomas, 22 pares são comuns (homólogos), ou seja, o cromossoma 1
do nosso pai é incrivelmente parecido ao cromossoma 1 da nossa mãe. Além disso temos
também 1 par restante que se denomina para sexual. Este par sexual pode ser homólogo
(XX) ou não homólogo (XY). Se o para tiver duas características iguais (XX), o individuo vai
ser feminino. Caso o par seja não homólogo, ou seja, tenha características diferentes (XY),
o individuo vai ser masculino.
GUSTAVO PINHO MAIA 9
A estrutura representada em cima é a estrutura de um cromossoma. Se visualizarmos a
extremidades do cromossoma, que se denominam de telómeros, que são regiões
extremamente importantes para determinar a viabilidade da célula.
No centro do cromossoma, existe o centrómero. O centrómero é um grupamento de
proteínas que faz com que dois cromossomas idênticos fiquem unidos. E os cromossomas
apresentam braços, sendo para cima do centrómero um braço e para baixo do centrómero
outro braço. Como representado, os braços apresentam diferentes tamanhos sendo um
deles curto (p) e o outro longo (q).
Este cromossoma é um cromossoma que está super torcido, ou seja, a célula está na fase
de divisão celular, ou seja, replicação de DNA. Quando isto acontece, os cromossomas tiram
uma cópia um do outro, como representado. Quando o cromossoma é replicado é o mesmo,
denominamos a replicação de cromátide irmã.
GUSTAVO PINHO MAIA 10
Estrutura do DNA
O ácido desoxirribose (DNA) contém informação necessária para produção das nossas
proteínas. Isto acontece pela sequência estabelecida de nucleótidos em uma fita de DNA.
Como dito anteriormente, o estudo estrutural detalhado mostra que cada nucleossoma é
composto por um esqueleto central proteico, constituído pelo octâmero de histonas 2x (H2A,
H2B, H3 e H4) em torno do qual o DNA se enrola duas vezes.
Esse duplo enrolamento é estabilizado por outra histona (H1).
Modelo de Watson e Crick
A estruturação do DNA em dupla hélice foi a solução para muitas questões sobre as
funções do DNA. Watson e Crick partiram do processo de “construção de modelo”, no qual
eles reuniram os resultados de experimentos anteriores e continuados sobre a estrutura do
DNA. A partir destes resultados reunidos eles procuraram formar um quebra-cabeça que
seria na verdade o modelo tridimensional, a dupla hélice.
GUSTAVO PINHO MAIA 11
As peças para esta quebra cabeça foram os blocos estruturais do DNA. Tratando de uma
substância química o DNA é simples, contém três tipos de componentes químicos: o
fosfato, um açúcar (desoxirribose) e quatro bases nitrogenadas (adenina, timina, cianina,
guanina). Estes blocos foram a primeira peça para montar o modelo. A segunda foi a regra
de Chargaff da composição de bases e a terceira a análise de difração.
Uma evidência que colaborou com a descoberta da dupla hélice de DNA foi o estudo
realizado por Erwin Chargaff que ao estudar o DNA de diversos organismos estabeleceu
algumas regras sobre a quantidade de nucleotídeos encontrados no DNA.
Chargaff relatou que a quantidade de nucleotídeos apresenta uma proporção numa mesma
espécie. Assim, independente da espécie, o número de timinas (T) é aproximadamente o
mesmo de adeninas (A) e o mesmo acontece com as citosinas (C) e guaninas (G). Mas a
quantidade de A+T não é necessariamente igual à quantidade de C+G e essa proporção
varia entre organismos diferentes.
Dupla Hélice
A estrutura de DNA sugerida por Watson e Crick possui duas fitas de nucleotídeos que
dispostas lado a lado e ficam torcidas na forma de dupla hélice, formando uma estrutura
em espiral. As fitas são mantidas unidas pela formação de pares de bases entre as duas
fitas: A pareia com T por meio de duas ligações de hidrogênio; G pareia com C através de
três ligações de hidrogênio. A presença de milhares de ligações de hidrogênio na molécula
de DNA contribui para a estabilidade da dupla hélice.
GUSTAVO PINHO MAIA 12
O DNA contendo muitos pares de G-C é mais estável que o DNA contendo muitos pares
A-T. O calor faz com que os dois filamentos do DNA se separem (dissociação do DNA ou
desnaturação do DNA). Os DNA com conteúdo maior de G-C requer maiores temperaturas
para dissociar devido a maior atração do pareamento G-C.
Cada fita é composta por unidades alternadas de fosfato e açúcar (desoxirribose), que são
conectadas por ligações fosfodiéster. Os átomos de carbono que compõem o açúcar de
desoxirribose são numerados de 1’ a 5’. O átomo de carbono 5’ de uma desoxirribose se
liga um grupo fosfato, que se ligará ao carbono 3’ da próxima desoxirribose através de uma
ligação de fosfodiéster. Dessa forma, cada ligação açúcar-fosfato tem orientação 5’ para 3’.
Na molécula de DNA as fitas estão pareadas com orientação oposta: uma se inicia pela
extremidade 5’ e outra começa pela extremidade 3’, assumindo uma conformação de dupla
hélice, principalmente pela interação das bases.
Cada base nitrogenada é ligada ao carbono 1’ de açúcar desoxirribose e se projeta para o
interior da hélice e as cadeias de açúcar e fosfato se projetam para o exterior da hélice. Os
pares de bases empilham-se uns sobre os outros no centro da dupla hélice, dando
estabilidade à molécula de DNA. O empilhamento das bases resulta em uma dupla hélice
com dois tamanhos de sulcos: o sulco maior e o sulco menor. Através do pareamento e
empilhamento das bases há a formação da hélice do DNA.
Resumidamente:
• Duas cadeias nucleotídicas
• Dupla Hélice
• Cadeias Antiparalelas
• Estrutura Fosfato-Açúcar-Fosfato: exterior da hélice
GUSTAVO PINHO MAIA 13
• Bases: interior da hélice, plano perpendicular á hélice
• Interações hidrofóbicas e de Van Der Waals entre bases empilhadas
• Ligações de hidrogénio entre bases complementares
• Complementaridade de bases: Purina-Pirimidina, Adenina-Timina, Guanina-
Citosina
• Espaços adjacentes entre voltas da hélice: depressão maior e menor
Modelos para várias estruturas de DNA conhecidas
Existem três formas de estruturação do DNA:
• Forma B - Tem 10.5 pares de bases por volta
• Forma A - Tem 11 pares de bases por volta
• Forma Z – É uma hélice dupla que enrola para a esquerda que tem 12 pares de
bases por volta
Nota: O DNA pode também existir na forma de hélice tripla.
GUSTAVO PINHO MAIA 14
Melting Temperature
A Melting Temperature, é definida como a temperatura a que metade da fita de DNA esta
em um enrolamento aleatório ou num estado de fita única. A Tm depende do comprimento
da molécula de DNA e de nucleótidos específicos. Quando as duas fitas de DNA estão
dissociadas, diz-se que a fita de DNA foi desnaturada devido ás altas temperaturas.
GUSTAVO PINHO MAIA 15
DNA Mitocondrial
A mitocôndria é uma organela presente no citoplasma das células de organismos superiores
e possui grande importância no processo de respiração celular. Possuem um tamanho que
varia de 0,5 a 1,0 μm de comprimento e são consideradas fábricas de energia, pois
processa o oxigênio e a glicose convertendo-os em ATP.
Esta organela, diferentemente das outras, possui carga genética própria, conhecido como
DNA mitocondrial (mtDNA). Este não é como o DNA nuclear que possui longas fitas,
formadas por dupla hélice e que codificam cerca de 100.000 genes, o mtDNA representa
apenas 1 a 2% do DNA celular, em duplo filamento circular, codificando apenas 37 genes.
Acredita-se na hipótese endossimbiótica, devido a existência do mtDNA. Esta sugere que o
surgimento das células eucarióticas se deu com o englobamento das células procarióticas
sem ocorrer a digestão, e estas duas desenvolveram uma relação simbiótica.
Não possui diferença na sua composição química, em relação ao DNA nuclear, mas possui
um código genético apenas seu. Possui
genoma haploide, por ser apenas de
origem materna, não havendo
recombinação, pois se acredita que as
mitocôndrias dos espermatozoides são
destruídas pela gameta feminina (óvulo)
após a fecundação. Possui também uma
região não codificadora que,
aparentemente, controla a replicação e transcrição do mtDNA. Quando comparada com o
genoma nuclear, possui uma alta taxa evolutiva (substituições de base). Sendo assim, tem
sido muito usado em estudos evolutivos para a investigação de linhagens antigas.
GUSTAVO PINHO MAIA 16
Estrutura do Genoma Eucariótico
No inicio do século XX, os biólogos moleculares completaram a sequenciação dos genomas
de centenas de vírus, algumas bactérias e eucariotas multicelulares. Já no início deste
século foi sequenciado o genoma humano.
Uma análise detalhada destes dados revelou que uma grande porção do genoma dos
eucariotas superiores não codifica mRNAs ou qualquer outro tipo de RNA necessário ao
organismo. Estas regiões não codificantes do DNA constituem mais de 95% do DNA
cromossomal humano. As variações nas regiões não codificantes no DNA são tão grandes
que permitem a distinção de uma pessoa, com base nas variações destas sequências (CSI).
Os genomas de muitos organismos contêm muito DNA não funcional. A comparação do
DNA existente nas células de vários organismos sugere que existe muito DNA que não
codifica RNA, que não possui qualquer função regulatória ou estrutural. Pensa-se que
diferentes pressões seletivas durante a evolução, podem ter contribuído pelo menos em
parte, para a grande diferença na quantidade de DNA não funcional existente nos
organismos unicelulares e pluricelulares.
GUSTAVO PINHO MAIA 17
A sequenciação e a identificação de exões no DNA forneceram evidências diretas que os
genomas de eucariotas superiores contêm grandes quantidade de DNA não codificante.
Apenas uma pequena porção do gene da β-globulina de humanos, cerca de 80 kb de
comprimento codifica proteínas.
Existem duas regiões na gene β-globulina que contêm duas sequências não funcionais,
designadas por pseudogenes. A análise da sequência destes pseudogenes revelou que
possuem uma sequencia exão-intrão semelhante á do gene β-globulina sugerindo que os
pseudogenes também se possam ter formado a partir de um ancestral comum. Contudo a
sequência sofreu modificações durante a evolução que geraram sequências que terminam
na tradução ou que bloqueiam o processamento do mRNA.
O DNA do genoma de eucarióticas pode ser dividido em:
• Genes que codificam proteínas e RNAs
• Genes repetidos em tandem
• Sequências repetitivas de DNA e DNA spacer
GUSTAVO PINHO MAIA 18
O processo através do qual as sequências são copiadas e inseridas num novo local do
genoma é designado por transposição. A movimentação dos elementos pode envolver DNA
e RNA
Um transposão, é uma sequência de ácido desoxirribonucleico capaz de se movimentar de
uma região para outra em um genoma de uma célula. Devido ao seu carácter dinâmico, os
transposões têm uma enorme influência na evolução e composição de genomas de plantas
e animais. A possibilidade de se inserirem dentro de genes do próprio organismo pode
causar diversas doenças, bem como ser fonte de nova informação genética.
Como dito anteriormente, os
elementos móveis que se
movimentam através de um
intermediário constituído por DNA são
designados por DNA transposões.
Os elementos móveis que se
movimentam através de um
intermediário constituído por RNA são
designados por retrotransposões.
Em termos moleculares, um gene é habitualmente definido como a sequência de ácido
nucleicos que é necessária para a síntese de uma proteína funcional ou de uma molécula
de RNA. De acordo com esta definição, um gene inclui para além das regiões codificantes
(exões), regiões de controlo e por vezes intrões.
GUSTAVO PINHO MAIA 19
Em cima é possível visualizar os componentes essenciais de uma estrutura de um gene. A
região anterior, ou seja, antes do inicio do gene é denominada de promotor, que recruta
uma série de proteínas que se vão ligar nesse segmento. Quando se ligam, recrutam RNA
para expressão esse gênio. Após o promotor, o RNA será produzido. Os pontos azuis,
denominam-se intrões e os pontos vermelhos são os exões. Os intrões são as regiões do
gene que não viram proteína, ou seja, quando é confecionado o RNA mensageiro, os intrões
são removidos, por um processo denominado de splicing. Já os exões, permanecem na
sequência do RNA mensageiro para conferir a informação para a produção de uma proteína.
Um gene também inclui todas as sequências de DNA necessárias para a síntese de um
transcrito de RNA:
• Regiões de controlo transcricional, conhecidas por enhancers.
• Sequências que especificam a clivagem em 3’ e a poliadenilação, conhecidos poly
(A) sites, e os locais de splicing (responsáveis pelo splicing do transcrito primário de
RNA).
• A mutação destes sinais de processamento de RNA previne a expressão d mRNA
funcional e consequentemente de polipéptido codificado.
GUSTAVO PINHO MAIA 20
• Algumas sequências de DNA codificam tRNAs e rRNAs que são responsáveis por
determinados tipos de fenótipos. Quando estas sequências são mutadas dá-se uma
alteração fenotípica.

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Biologia Molecular e Celular - Aula 2

  • 1. Relatório Teórico Biologia Molecular e Celular 2ª Aula Química Industrial 1º Ano 2017/2018
  • 2. GUSTAVO PINHO MAIA 2 Índice Célula Eucariótica ___________________________________________________________3 Constituição do Núcleo _____________________________________________________3 Invólucro Nuclear _______________________________________________________3 Poros Nucleares ______________________________________________________5 Cromatina ______________________________________________________________6 Estrutura do Cromossoma __________________________________________________8 Estrutura do DNA_________________________________________________________10 Modelo de Watson e Crick ________________________________________________10 Dupla Hélice _________________________________________________________11 Modelos para várias estruturas de DNA conhecidas________________________13 Melting Temperature____________________________________________________14 DNA Mitocondrial_______________________________________________________15 Estrutura do Genoma Eucariótico _________________________________________16
  • 3. GUSTAVO PINHO MAIA 3 Célula Eucariótica Constituição do Núcleo Em contraste com os compartimentos citoplasmáticos, os domínios nucleares não são delimitados por membranas. O núcleo é constituído por: • Invólucro Nuclear – Involucro nuclear delimita massa viscosa e amorfa • Cromatina – Cromatina complexo de cromossomas, histonas e proteínas não histónicas • Matriz Nuclear – É constituída por uma rede de proteínas fibrosas • Nucléolos – Envolvidos na síntese de RNAr, pequena e grande subunidade do ribossoma • Nucleoplasma – Constituído por fluido com os solutos nucleares dissolvidos. Invólucro Nuclear São duas membranas nucleares paralelas, que separam o material genético existente no núcleo do citoplasma, com um espaçamento intermembranar de 10 a 50 nm. Tem como função impedir iões solutos e macromoléculas de atravessarem do núcleo para o citoplasma e vice-versa. Contém poros nucleares, quer são grandes complexos de proteínas que atravessam o involucro nuclear. As proteínas que formam esses poros são conhecidas como nucleoporinas. Eles são unicelulares, responsáveis para a digestão celular. Existem cerca de 3000 poros no involucro nuclear.
  • 4. GUSTAVO PINHO MAIA 4 Além disso, a membrana externa do involucro nuclear, contém ribossomas, já que na lamina interior do involucro nuclear, acumula-se uma rede de filamentos muito densa, denominada lamina nuclear que serve de suporte mecânico e também como local de fixação das fibras de cromatina. O invólucro nuclear tem uma organização estrutural complexa que sofre modificações ao longo do ciclo celular. A sua superfície aumenta durante a interfase, em particular ao longo da fase S, de modo a adaptar-se ao volume de DNA sintetizado. Durante a fase M da mitose ocorrem modificações mais evidentes do invólucro nuclear (fosforilação/desfosforilação). Nota: A lamina nuclear está presente na superfície interna do involucro nuclear, e é uma rede de filamentos, pertencentes á superfamília de polipeptídeos dos filamentos intermédios, polipéptidos com 10 nm de diâmetro, ao qual denominamos de lamininas. Tem um papel fundamental no suporte mecânico do involucro nuclear e servem também como local de ligação das fibras de cromatina. Nota: A fosforilação de resíduos de serina (aminoácido), provoca a despolimerização do envelope nuclear durante a prófase da mitose.
  • 5. GUSTAVO PINHO MAIA 5 Poros Nucleares Os poros nucleares permitem a troca de substâncias (RNA e proteínas) em ambas as direções entre o núcleo e o citoplasma. A duplicação e transcrição do material genético, no núcleo, depende de proteínas sintetizadas no citoplasma e que têm de ser transportadas através do involucro nuclear. Da mesma forma, mRNA e tRNA, são produzidos no núcleo e transportados para o citoplasma. Aprofundando um pouco mais, iremos ver o complexo do poro nuclear (CPN). Cada poro é constituído por 2 anéis co-axiais com 120 nm de diâmetro, um virado para a superfície citoplasmática e outro para a superfície nucleoplasmática. Os anéis estão ligados um a outro e á membrana do poro por subestruturas que conferem ao conjunto uma simetria octagonal. Na porção central do poro nuclear encontra-se o grânulo central. Além disso, existem também filamentos que se projetam do anel citoplasmático em direção ao citoplasma. Filamentos de outro tipo conectam o anel nucleoplasmático com um anel intracelular de menor diâmetro formando, no seu conjunto uma estrutura com forma de “cesto”. Solutos de baixo peso molecular (incluindo proteínas até 40 kDa) penetram no núcleo por difusão passiva através do CPN. Para impedir a entrada de moléculas indesejadas ou de grandes dimensões no núcleo, existe no CPN a sequência de localização nuclear (NLS) que é constituída por aminoácidos
  • 6. GUSTAVO PINHO MAIA 6 com carga positiva junto ao C-terminal. A substituição de um aminoácido nesta sequência impede a entrada da molécula no núcleo. A entrada e a saída de moléculas grandes do núcleo celular é altamente controlado pelos complexos de poros nucleares. Apesar de pequenas moléculas poderem entrar no núcleo sem regulação, as macromoléculas como o RNA e as proteínas requerem uma associação com carioferinas denominadas importinas para entrarem no núcleo e exportinas para sair. Na figura seguinte, visualizamos a importação de proteínas do citoplasma para o núcleo. Cromatina A cromatina é uma estrutura fibrosa constituída por DNA associado a uma quantidade igual de proteínas básicas, as histonas, e proteínas não histónicas. As histonas H2A, H2B, H3 e H4 unem-se, formando um octâmero denominado nucleossoma, enquanto que a histona H1 une os nucleossomas adjacentes, "empacotando-os", visto que a molécula de DNA "dá" uma volta e meia em torno do octâmero de histonas. É essencial existir a histona H1 para estabilizar este enrolamento.
  • 7. GUSTAVO PINHO MAIA 7 Existem dois tipos de cromatina: • Eucromatina – Consiste em DNA ativo, ou seja, que se pode expressar como proteínas e enzimas. É a zona mais ativa do genoma. A sua estrutura está mais descondensada. • Heterocromatina – Consiste em DNA inativo e que parece ter funções estruturais durante o ciclo celular. Corresponde ás regiões menos ativas e inativas do genoma. Tem estrutura condensada e mantém o seu grau de condensação durante o ciclo celular. Tem como funções principais: ▪ Proteção da eucromatina contra quebras e rearranjos. ▪ Regulação do emparelhamento dos cromossomas. ▪ Controlo do mecanismo de transporte ao nível dos poros nucleares. ▪ Estabilização de certas regiões cromossómicas, como por exemplo, o centrómero e o telómero. ▪ Contribuição para a especiação e evolução, devido á facilidade com que se dão rearranjos cromossómicos nestas zonas que conduzem á evolução dos cariótipos.
  • 8. GUSTAVO PINHO MAIA 8 Estrutura do Cromossoma O DNA é produto responsável por portar, ou seja, armazenar a informação genética da espécie, seja ela procariótica ou eucariótica. Nas células eucarióticas, o DNA está presente no núcleo celular. No corpo humano existem cerca de 3 bilhões de bases nitrogenadas, que não estão em uma única fita continua, mas sim distribuídas em várias fitas de DNA. A essas várias de DNA onde está distribuído o nosso material genético, nós denominamos de cromossomas. O cromossoma nada mais é do que uma extensa cadeia de apenas uma única dupla fita de DNA que contém informações genéticas daquele organismo. Todos os seres eucarióticos possuem cromossomas. Relativamente aos seres humanos, possuem 23 pares de cromossomas, pois 23 cromossomas são provenientes da mãe e 23 cromossomas são provenientes do pai. Destes 23 pares de cromossomas, 22 pares são comuns (homólogos), ou seja, o cromossoma 1 do nosso pai é incrivelmente parecido ao cromossoma 1 da nossa mãe. Além disso temos também 1 par restante que se denomina para sexual. Este par sexual pode ser homólogo (XX) ou não homólogo (XY). Se o para tiver duas características iguais (XX), o individuo vai ser feminino. Caso o par seja não homólogo, ou seja, tenha características diferentes (XY), o individuo vai ser masculino.
  • 9. GUSTAVO PINHO MAIA 9 A estrutura representada em cima é a estrutura de um cromossoma. Se visualizarmos a extremidades do cromossoma, que se denominam de telómeros, que são regiões extremamente importantes para determinar a viabilidade da célula. No centro do cromossoma, existe o centrómero. O centrómero é um grupamento de proteínas que faz com que dois cromossomas idênticos fiquem unidos. E os cromossomas apresentam braços, sendo para cima do centrómero um braço e para baixo do centrómero outro braço. Como representado, os braços apresentam diferentes tamanhos sendo um deles curto (p) e o outro longo (q). Este cromossoma é um cromossoma que está super torcido, ou seja, a célula está na fase de divisão celular, ou seja, replicação de DNA. Quando isto acontece, os cromossomas tiram uma cópia um do outro, como representado. Quando o cromossoma é replicado é o mesmo, denominamos a replicação de cromátide irmã.
  • 10. GUSTAVO PINHO MAIA 10 Estrutura do DNA O ácido desoxirribose (DNA) contém informação necessária para produção das nossas proteínas. Isto acontece pela sequência estabelecida de nucleótidos em uma fita de DNA. Como dito anteriormente, o estudo estrutural detalhado mostra que cada nucleossoma é composto por um esqueleto central proteico, constituído pelo octâmero de histonas 2x (H2A, H2B, H3 e H4) em torno do qual o DNA se enrola duas vezes. Esse duplo enrolamento é estabilizado por outra histona (H1). Modelo de Watson e Crick A estruturação do DNA em dupla hélice foi a solução para muitas questões sobre as funções do DNA. Watson e Crick partiram do processo de “construção de modelo”, no qual eles reuniram os resultados de experimentos anteriores e continuados sobre a estrutura do DNA. A partir destes resultados reunidos eles procuraram formar um quebra-cabeça que seria na verdade o modelo tridimensional, a dupla hélice.
  • 11. GUSTAVO PINHO MAIA 11 As peças para esta quebra cabeça foram os blocos estruturais do DNA. Tratando de uma substância química o DNA é simples, contém três tipos de componentes químicos: o fosfato, um açúcar (desoxirribose) e quatro bases nitrogenadas (adenina, timina, cianina, guanina). Estes blocos foram a primeira peça para montar o modelo. A segunda foi a regra de Chargaff da composição de bases e a terceira a análise de difração. Uma evidência que colaborou com a descoberta da dupla hélice de DNA foi o estudo realizado por Erwin Chargaff que ao estudar o DNA de diversos organismos estabeleceu algumas regras sobre a quantidade de nucleotídeos encontrados no DNA. Chargaff relatou que a quantidade de nucleotídeos apresenta uma proporção numa mesma espécie. Assim, independente da espécie, o número de timinas (T) é aproximadamente o mesmo de adeninas (A) e o mesmo acontece com as citosinas (C) e guaninas (G). Mas a quantidade de A+T não é necessariamente igual à quantidade de C+G e essa proporção varia entre organismos diferentes. Dupla Hélice A estrutura de DNA sugerida por Watson e Crick possui duas fitas de nucleotídeos que dispostas lado a lado e ficam torcidas na forma de dupla hélice, formando uma estrutura em espiral. As fitas são mantidas unidas pela formação de pares de bases entre as duas fitas: A pareia com T por meio de duas ligações de hidrogênio; G pareia com C através de três ligações de hidrogênio. A presença de milhares de ligações de hidrogênio na molécula de DNA contribui para a estabilidade da dupla hélice.
  • 12. GUSTAVO PINHO MAIA 12 O DNA contendo muitos pares de G-C é mais estável que o DNA contendo muitos pares A-T. O calor faz com que os dois filamentos do DNA se separem (dissociação do DNA ou desnaturação do DNA). Os DNA com conteúdo maior de G-C requer maiores temperaturas para dissociar devido a maior atração do pareamento G-C. Cada fita é composta por unidades alternadas de fosfato e açúcar (desoxirribose), que são conectadas por ligações fosfodiéster. Os átomos de carbono que compõem o açúcar de desoxirribose são numerados de 1’ a 5’. O átomo de carbono 5’ de uma desoxirribose se liga um grupo fosfato, que se ligará ao carbono 3’ da próxima desoxirribose através de uma ligação de fosfodiéster. Dessa forma, cada ligação açúcar-fosfato tem orientação 5’ para 3’. Na molécula de DNA as fitas estão pareadas com orientação oposta: uma se inicia pela extremidade 5’ e outra começa pela extremidade 3’, assumindo uma conformação de dupla hélice, principalmente pela interação das bases. Cada base nitrogenada é ligada ao carbono 1’ de açúcar desoxirribose e se projeta para o interior da hélice e as cadeias de açúcar e fosfato se projetam para o exterior da hélice. Os pares de bases empilham-se uns sobre os outros no centro da dupla hélice, dando estabilidade à molécula de DNA. O empilhamento das bases resulta em uma dupla hélice com dois tamanhos de sulcos: o sulco maior e o sulco menor. Através do pareamento e empilhamento das bases há a formação da hélice do DNA. Resumidamente: • Duas cadeias nucleotídicas • Dupla Hélice • Cadeias Antiparalelas • Estrutura Fosfato-Açúcar-Fosfato: exterior da hélice
  • 13. GUSTAVO PINHO MAIA 13 • Bases: interior da hélice, plano perpendicular á hélice • Interações hidrofóbicas e de Van Der Waals entre bases empilhadas • Ligações de hidrogénio entre bases complementares • Complementaridade de bases: Purina-Pirimidina, Adenina-Timina, Guanina- Citosina • Espaços adjacentes entre voltas da hélice: depressão maior e menor Modelos para várias estruturas de DNA conhecidas Existem três formas de estruturação do DNA: • Forma B - Tem 10.5 pares de bases por volta • Forma A - Tem 11 pares de bases por volta • Forma Z – É uma hélice dupla que enrola para a esquerda que tem 12 pares de bases por volta Nota: O DNA pode também existir na forma de hélice tripla.
  • 14. GUSTAVO PINHO MAIA 14 Melting Temperature A Melting Temperature, é definida como a temperatura a que metade da fita de DNA esta em um enrolamento aleatório ou num estado de fita única. A Tm depende do comprimento da molécula de DNA e de nucleótidos específicos. Quando as duas fitas de DNA estão dissociadas, diz-se que a fita de DNA foi desnaturada devido ás altas temperaturas.
  • 15. GUSTAVO PINHO MAIA 15 DNA Mitocondrial A mitocôndria é uma organela presente no citoplasma das células de organismos superiores e possui grande importância no processo de respiração celular. Possuem um tamanho que varia de 0,5 a 1,0 μm de comprimento e são consideradas fábricas de energia, pois processa o oxigênio e a glicose convertendo-os em ATP. Esta organela, diferentemente das outras, possui carga genética própria, conhecido como DNA mitocondrial (mtDNA). Este não é como o DNA nuclear que possui longas fitas, formadas por dupla hélice e que codificam cerca de 100.000 genes, o mtDNA representa apenas 1 a 2% do DNA celular, em duplo filamento circular, codificando apenas 37 genes. Acredita-se na hipótese endossimbiótica, devido a existência do mtDNA. Esta sugere que o surgimento das células eucarióticas se deu com o englobamento das células procarióticas sem ocorrer a digestão, e estas duas desenvolveram uma relação simbiótica. Não possui diferença na sua composição química, em relação ao DNA nuclear, mas possui um código genético apenas seu. Possui genoma haploide, por ser apenas de origem materna, não havendo recombinação, pois se acredita que as mitocôndrias dos espermatozoides são destruídas pela gameta feminina (óvulo) após a fecundação. Possui também uma região não codificadora que, aparentemente, controla a replicação e transcrição do mtDNA. Quando comparada com o genoma nuclear, possui uma alta taxa evolutiva (substituições de base). Sendo assim, tem sido muito usado em estudos evolutivos para a investigação de linhagens antigas.
  • 16. GUSTAVO PINHO MAIA 16 Estrutura do Genoma Eucariótico No inicio do século XX, os biólogos moleculares completaram a sequenciação dos genomas de centenas de vírus, algumas bactérias e eucariotas multicelulares. Já no início deste século foi sequenciado o genoma humano. Uma análise detalhada destes dados revelou que uma grande porção do genoma dos eucariotas superiores não codifica mRNAs ou qualquer outro tipo de RNA necessário ao organismo. Estas regiões não codificantes do DNA constituem mais de 95% do DNA cromossomal humano. As variações nas regiões não codificantes no DNA são tão grandes que permitem a distinção de uma pessoa, com base nas variações destas sequências (CSI). Os genomas de muitos organismos contêm muito DNA não funcional. A comparação do DNA existente nas células de vários organismos sugere que existe muito DNA que não codifica RNA, que não possui qualquer função regulatória ou estrutural. Pensa-se que diferentes pressões seletivas durante a evolução, podem ter contribuído pelo menos em parte, para a grande diferença na quantidade de DNA não funcional existente nos organismos unicelulares e pluricelulares.
  • 17. GUSTAVO PINHO MAIA 17 A sequenciação e a identificação de exões no DNA forneceram evidências diretas que os genomas de eucariotas superiores contêm grandes quantidade de DNA não codificante. Apenas uma pequena porção do gene da β-globulina de humanos, cerca de 80 kb de comprimento codifica proteínas. Existem duas regiões na gene β-globulina que contêm duas sequências não funcionais, designadas por pseudogenes. A análise da sequência destes pseudogenes revelou que possuem uma sequencia exão-intrão semelhante á do gene β-globulina sugerindo que os pseudogenes também se possam ter formado a partir de um ancestral comum. Contudo a sequência sofreu modificações durante a evolução que geraram sequências que terminam na tradução ou que bloqueiam o processamento do mRNA. O DNA do genoma de eucarióticas pode ser dividido em: • Genes que codificam proteínas e RNAs • Genes repetidos em tandem • Sequências repetitivas de DNA e DNA spacer
  • 18. GUSTAVO PINHO MAIA 18 O processo através do qual as sequências são copiadas e inseridas num novo local do genoma é designado por transposição. A movimentação dos elementos pode envolver DNA e RNA Um transposão, é uma sequência de ácido desoxirribonucleico capaz de se movimentar de uma região para outra em um genoma de uma célula. Devido ao seu carácter dinâmico, os transposões têm uma enorme influência na evolução e composição de genomas de plantas e animais. A possibilidade de se inserirem dentro de genes do próprio organismo pode causar diversas doenças, bem como ser fonte de nova informação genética. Como dito anteriormente, os elementos móveis que se movimentam através de um intermediário constituído por DNA são designados por DNA transposões. Os elementos móveis que se movimentam através de um intermediário constituído por RNA são designados por retrotransposões. Em termos moleculares, um gene é habitualmente definido como a sequência de ácido nucleicos que é necessária para a síntese de uma proteína funcional ou de uma molécula de RNA. De acordo com esta definição, um gene inclui para além das regiões codificantes (exões), regiões de controlo e por vezes intrões.
  • 19. GUSTAVO PINHO MAIA 19 Em cima é possível visualizar os componentes essenciais de uma estrutura de um gene. A região anterior, ou seja, antes do inicio do gene é denominada de promotor, que recruta uma série de proteínas que se vão ligar nesse segmento. Quando se ligam, recrutam RNA para expressão esse gênio. Após o promotor, o RNA será produzido. Os pontos azuis, denominam-se intrões e os pontos vermelhos são os exões. Os intrões são as regiões do gene que não viram proteína, ou seja, quando é confecionado o RNA mensageiro, os intrões são removidos, por um processo denominado de splicing. Já os exões, permanecem na sequência do RNA mensageiro para conferir a informação para a produção de uma proteína. Um gene também inclui todas as sequências de DNA necessárias para a síntese de um transcrito de RNA: • Regiões de controlo transcricional, conhecidas por enhancers. • Sequências que especificam a clivagem em 3’ e a poliadenilação, conhecidos poly (A) sites, e os locais de splicing (responsáveis pelo splicing do transcrito primário de RNA). • A mutação destes sinais de processamento de RNA previne a expressão d mRNA funcional e consequentemente de polipéptido codificado.
  • 20. GUSTAVO PINHO MAIA 20 • Algumas sequências de DNA codificam tRNAs e rRNAs que são responsáveis por determinados tipos de fenótipos. Quando estas sequências são mutadas dá-se uma alteração fenotípica.