O documento resume os principais conceitos da biologia molecular e celular, incluindo a estrutura do DNA, a transcrição do RNA, as diferentes RNA polimerases, a transcrição do DNA mitocondrial, a diferença entre mRNA produzido por células procarióticas e eucarióticas, o controle da expressão gênica em procariotos e eucariotos, e os mecanismos moleculares de ativação e repressão da transcrição.

1. Relatório Teórico
Biologia Molecular e Celular
Aula 3
Química Industrial 1º Ano
2017/2018

2. GUSTAVO PINHO MAIA 2
Índice
Células Eucarióticas.................................................................................................................................... 3
Estrutura do DNA ..................................................................................................................................... 3
Transcrição do RNA ............................................................................................................................ 3
Formação Do Complexo De Pré-Reiniciação Para A RNA Polimerase II Iniciar A
Transcrição Em Eucarióticas........................................................................................................... 5
Funções Das Diferentes RNA Polimerase .................................................................................. 7
A Transcrição Do DNA Mitocondrial Humano............................................................................ 8
mRNA Produzido Por Células Procarióticas Vs Células Eucarióticas.............................. 9
Controlo Da Expressão De Genes Em Células Procarióticas............................................... 9
Ativadores E Repressores Da Transcrição...............................................................................10
Interação De Um Repressor Com O DNA...................................................................................10
Domínios De Ligação Ao DNA Em Células Eucarióticas ......................................................10
Interações Entre Diferentes Fatores de Transcrição ...........................................................11
Enhanceosome...................................................................................................................................12
Mecanismos Moleculares De Ativação E Repressão Da Transcrição.............................13
Tradução....................................................................................................................................................14
A Ligação Do tRNA Ao Aminoácido..............................................................................................16
Emparelhamento Codão - Anti codão não convencional ....................................................17
Código Genético......................................................................................................................................17

3. GUSTAVO PINHO MAIA 3
Células Eucarióticas
Estrutura do DNA
Transcrição do RNA
A transcrição é o processo de formação de uma molécula de RNA a partir de uma molécula
molde de DNA. Neste processo, as fitas de DNA se separam e uma serve de molde para o
RNA, enquanto a outra fica inativa. No fim da transcrição as fitas que foram separadas
voltam a unir-se. A transcrição é um processo altamente seletivo, pois apenas pequenas
porções da fita de DNA molde são copiadas. Isso é muito importante, pois é o primeiro
passo da regulação de um gene.
O processo é iniciado quando a polimerase do DNA se liga a uma das extremidades do
DNA. Essa extremidade é muito especifica, possuindo uma sequência especial de bases, e
é chamada de promotor. Neste local, existe um sitio de iniciação, com primeira base a ser
transcrita. A polimerase do RNA segue pela extensão da cadeia, transcrevendo o DNA em
RNA até encontrar a sequência de terminalização, que contém bases especificas que
determinam o fim da transcrição.
A transcrição do RNA é feita nas seguintes etapas:
• Reconhecimento da fita molde de DNA – O DNA e as polimerases do RNA (enzimas
catalisadoras de reação) estão livres na célula e podem se encontrar ao acaso,
porém a transcrição só tem inicio quando a enzima encontra e liga-se fortemente
ao sitio promotor. Quando isso acontece, a dupla-hélice é desenrolada e as fitas
são separadas.

4. GUSTAVO PINHO MAIA 4
• Inicio da Transcrição – A polimerase ligada á região promotora inicia o processo de
transcrição, adicionando os primeiros nove nucleótideos da sequência de RNA. Essa
fase é chamada de fase de iniciação.
• Elongação – Após a produção de aproximadamente nove nucleótideos, a polimerase
do RNA passa a se deslocar pela molécula de DNA, desenrolando sua hélice e
produzindo uma molécula de
RNA, cada vez mais alongada.
O DNA já transcrito volta a ser
enrolado, quase que
imediatamente, recompondo a
sua dupla-hélice. Esse
processo é chamado de fase de
elongação. A fita de RNA
produzida é simples e livre.
Cerca de 40 nucleótideos
podem ser produzidos por segundo a uma temperatura de 37ºC em bactérias.
• Término - Quando a polimerase do RNA encontra a sequência de terminalização,
o RNA para de ser transcrito. A partir desse momento, nenhuma outra base
nitrogenada é incorporada ao RNA. Neste momento, a bolha de transcrição se
desprende, libertando uma molécula de RNA e imediatamente a molécula de DNA
se enrola completamente. Á sequência de DNA que contém os genes sinalizadores
do término é chamada de região terminalizadora.

5. GUSTAVO PINHO MAIA 5
Formação Do Complexo De Pré-Reiniciação Para A RNA Polimerase II Iniciar A
Transcrição Em Eucarióticas
TATA binding protein (TBP) é um fator de transcrição que se liga especificamente a uma
sequência de ADN denominada TATA box. Esta sequência de ADN é encontrada a 25-30
pares de bases anteriores ao sítio de iniciação da transcrição em alguns promotores de
genes eucariontes.
TBP, juntamente com uma variedade de fatores associados a TBP fazem a TFIID, um facto
de transcrição geral que por sua vez faz parte do complexo de pré-iniciação da RNA
polimerase II. Como uma das poucas proteínas no complexo de pré-iniciação que se liga ao
ADN de uma maneira específica de sequências, ajuda a posicionar a RNA polimerase II
sobre a sítio de início de transcrição do gene. No entanto, é estimado que só 10-20% dos
promotores humanos contenham a TATA box. Por isso, a TBP não é a única proteína
envolvida no posicionamento da ARN polimerase II.
A TBP está envolvida na desnaturação do ADN, torcendo o ADN em 80°. A TBP é uma
proteína pouco usual porque liga-se á fenda (-) do ADN usando uma folha beta. Uma outra
característica distintiva da TBP é o longo conjunto de glutaminas no N-terminal da proteína.
Esta região modula a atividade de ligação de ADN do C-terminal, e a modulação da ligação
do ADN afeta a taxa de formação do complexo de transcrição e iniciação da transcrição.
A TATA box é um dos principais promotores eucarióticos conhecidos e encontra-se a 5' do
ponto de início da transcrição da grande maioria dos genes.

6. GUSTAVO PINHO MAIA 6
Observando a imagem verificamos que:
• O TBP liga-se á TATA box
• O C-Terminal de TFIIB contata com a
TBP e com o DNA em ambos os lados
da TATA box
• O N-terminal do TFIIB estende-se
para o local de inicio da transcrição
• O Complexo tetramétrico TFIIF
posiciona a RNA polimerase no inicio
da transcrição
• O TFIIE cria o local de ligação para
TFIIH
• A ligação da TFIIH completa a
formação do complexo de pré-
iniciação. TFIIH possui atividade de
helicase. Gasta ATP para desenrolar o
DNA
Pol II forma um “open complex” e começa a transcrição do DNA
• TFIIH fosforila a pol II (domínio terminal carboxílico) CTD em múltiplos locais. O
CTD está envolvido na ligação de proteínas á polimerase. Indivíduos com a TFIIH
mutada são extremamente sensíveis á luz (xeroderma pigmentosa)
Como dito anteriormente, a TATA box é encontrada a 25-35 pares de bases upstream do
local de iniciação da transcrição. Atua como um promotor e serve para posicionar o RNA
polimerase II para iniciar a transcrição.

7. GUSTAVO PINHO MAIA 7
Funções Das Diferentes RNA Polimerase
As RNA polimerases são enzimas, geralmente formadas por muitas cadeias polipeptídicas,
que catalisam toda transcrição do DNA. Essas enzimas conseguem catalisar a ligação entre
a extremidade 3' OH de um nucleotídeo com a extremidade 5' fosfato do nucleotídeo
seguinte, realizando a catálise no sentido de 5' para 3' e utilizando como molde uma das
fitas de DNA. Existem 3 tipos de RNA Polimerase:
• RNA Polimerase I – Localizada no nucléolo, transcreve genes envolvidos na
formação do rRNA (pré-RNA), que é processado em 28S, 5.8S e 18S rRNAs
• RNA Polimerase II – Transcreve genes que intervêm na produção de mRNA.
Também produz ou 5 RNAs nucleares que intervêm no mecanismo de splicing.
• RNA Polimerase III - Transcreve genes que codificam tRNAs, 5S, rRNA, um conjunto
de RNAs envolvidos no mecanismo de splicing e um “signal-recognition particle”
(SRP) que está envolvido no direcionamento das proteínas em síntese para o
reticulo endoplasmático.
Nas células eucarióticas, os mecanismos para terminar a transcrição diferem para os 3
tipos de RNAs polimerases:
• A transcrição dos genes do pré-rRNA pela RNA Polimerase I requer um fator de
terminação especifico que se liga ao DNA downstream da unidade de transcrição.
• A RNA Polimerase II termina após polimerizar uma série de resíduos U.
• A RNA Polimerase III não termina a transcrição até encontrar a sequência que dirige
clivagem e a poliadenilação do RNA.
Enquanto a terminação não é regulada para a maior parte dos genes, existem genes
específicos onde é feita uma escolha entre o alongamento, a terminação ou a paragem da

8. GUSTAVO PINHO MAIA 8
transcrição. Esta escolha pode ser regulada. Desta forma a expressão de uma proteína
pode ser controlada não só na iniciação, mas também no alongamento da transcrição.
A Transcrição Do DNA Mitocondrial Humano
Como dito anteriormente, o DNA mitocondrial (mtDNA) diz respeito ao DNA que se localiza
no interior da mitocôndria, organelo presente nas células eucarióticas. O mtDNA é de cadeia
dupla, mas, ao contrário do DNA nuclear, é circular, não está empacotado em cromatina, a
tradução dos seus codões em proteínas não segue as regras do código genético universal
e tem um conteúdo GC diferente.
Nos animais e humanos, o mtDNA é pequeno e muito compacto, contendo genes que se
sobrepõem e apenas 3% de DNA não-codificante, que diz respeito à sua origem de
replicação (D-loop). O genoma mitocondrial possui cerca de 16500 pares de bases (pb) que
codificam 37 genes necessários para o normal funcionamento da mitocôndria. Desses 37
genes, 13 são responsáveis pela expressão de proteínas envolvidas no ciclo de fosforilação
oxidativa, estando os restantes genes envolvidos na expressão de 22 moléculas de tRNA e 2
moléculas de rRNA.
A transcrição do DNA mitocondrial e dos cloroplastos é feita por RNA polimerases
especificas destes organelos. Estas RNA polimerases são semelhantes ás polimerases de
bactérias. A transcrição da cadeia H (externa) ocorre no sentido de rotação dos ponteiros do
relógio. A transcrição da cadeia L (interna) ocorre no sentido anti-horário.
Todos os mRNAs e as proteínas codificados no mtDNA ficam na mitocôndria. Algumas
proteínas mitocondriais são importadas do citoplasma.

9. GUSTAVO PINHO MAIA 9
mRNA Produzido Por Células Procarióticas Vs Células Eucarióticas
Ao contrário do que acontece com as bactérias que produzem mRNAs policistrónicos
(contêm regiões codificantes para várias proteínas que intervêm no mesmo processo
metabólico), os genes de eucarióticas produzem mRNAs monocistronicos (cada molécula
de mRNA codifica apenas uma proteína).
O mRNA policistrónicos possui vários locais de ligação para o ribossoma. A tradução pode-
se iniciar em qualquer um destes locais, o que leva á produção de várias proteínas. Ao
contrário do que acontece com os genes de bactérias que não possuem intrões, a maior
parte dos genes em animais e plantas contêm intrões, que são removidos durante o
processamento do RNA. Em muitos casos, os intrões no gene são mais longos que os exões.
Controlo Da Expressão De Genes Em Células Procarióticas
Na maioria das bactérias a expressão de genes é altamente regulada para permitir o ajuste
da maquinaria enzimática da célula e dos seus componentes estruturais ás mudanças
nutricionais e físicas do ambiente. A célula procariótica sintetiza apenas as proteínas
essenciais á sobrevivência (Ex.: Operão lac – na ausência de lactose no meio, E.coli inibe a
expressão desses genes (lac Z, lac Y e lac A)).
Além da ligação de ativadores como o CAP, a transcrição da maioria dos genes bacterianos
também depende da ligação de pequenas moléculas chamadas de indutores. Os indutores
ligam-se a repressores e desta forma regulam a taxa de iniciação da transcrição.

10. GUSTAVO PINHO MAIA 10
Ativadores E Repressores Da Transcrição
Os fatores de transcrição, que estimulam ou inibem a transcrição ligam-se aos elementos
próximos do promotor ou aos enhancers no DNA eucariótico. Os ativadores ou repressores
contêm um domínio de ativação (ativadores) ou de repressão (repressor). Os diferentes
domínios estão ligados pela cadeia polipeptídica.
Interação De Um Repressor Com O DNA
Muitos dos repressores em bactérias são proteínas diméricas, em que uma hélice αde
cada monómero se insere na depressão maior do DNA. Esta hélice é conhecida por hélice
de reconhecimento ou “sequence-reading hélix”, Helix-turn-helix motif.
Os ativadores e repressores de eucarióticas possuem uma variedade de motivos estruturais
que se ligam especificamente ás sequências de DNA. O genoma humano codifica 2000
fatores de transcrição.
Domínios De Ligação Ao DNA Em Células Eucarióticas
C2H2 zinc finger, homeodomain, leucine zipper, bHLH e bZip são motivos estruturais de
ligação ao DNA. Todos estes e outros domínios de ligação ao DNA contêm uma ou mais
hélices αque interagem com o major Groove (depressão maior) do DNA.
• Homeodomain protein (motivo conservado com 60 resíduos) – Semelhante ao motivo
Helix-turn-helix de repressores em bactérias.
• Zinc-Finger proteins – proteínas com regiões que enrolam á volta do ião 𝑍𝑛2+
.
• 𝐶2 𝐻2 zinc fingers (motive mais comum) - 23-26 resíduos contendo 2 Cys e 2 His
conservados cujas cadeias laterais se ligam ao 𝑍𝑛2+
.

11. GUSTAVO PINHO MAIA 11
• 𝐶4 zinc fingers (está presente em cerca de 50
fatores de transcrição humanos) – contém dois
grupos com 4 Cys.
• Leucine-zipper proteins – contém uma leucina
(aminoácido hidrofóbico) na sétima posição de
cada sequencia. Liga-se ao DNA na forma de
dímeros. A mutação da leucina influencia na
formação do dímero.
• bZip – basic zipper – contêm resíduos
hidrofóbicos na posição 7. Coiled C-terminal e N-terminal, DNA-biding domain.
• Basic Helix-loop-helix (bHLH) – motivo de ligação ao DNA muito semelhante ao
bZip, “nonhelical loop” separa as duas hélices α.
Interações Entre Diferentes Fatores de Transcrição
Alguns fatores de transcrição
heterodíméricos possuem monómeros
com diferentes dominós de ligação ao
DNA. Aumenta as possibilidades de
regulação da expressão de um gene,
pois aumenta o número de locais onde
se podem ligar fatores de transcrição.

12. GUSTAVO PINHO MAIA 12
Os fatores de transcrição NFAT e
AP1 na forma monomérica têm
uma baixa afinidade para se
ligarem aos locais de ligação IL-2
promotor proximal region. Na forma
de complexo é que têm estabilidade
para se ligarem ao local de ligação.
O IL-2 codifica interleucina 2,
importante na resposta imunitária. Uma expressão anómala provoca doenças autoimunes
(artrite reumatoide).
Em resultado, os 2000 fatores de transcrição codificados pelo genoma humano, podem-se
ligar ao DNA através de um número muito maior de interações cooperativas, resultando em
ajustes singulares para cada gene existente no genoma humano.
Enhanceosome
A Enhanceosome é uma proteína complexa de grande ordem, “encaixada” no enchancer
(local onde se ligam proteínas para aumentar a transcrição de um gene em particular), ao
qual regula a expressão de um gene alvo.
• IRF-3 e IRF-7 - fatores transcricionais monoméricos.
• Jun/ATF-2 e p50/p65 – fatores de transcrição heterodíméricos.
• HMGI – facilita a ligação cooperativa dos fatores de transcrição. Liga-se á minor
Groove (depressão menor) do DNA.

13. GUSTAVO PINHO MAIA 13
Fator de transcrição ligado a um enhancer: Estabiliza a maquinaria de transcrição no core
promotor e estimula o reinicio continuo da transcrição. A ligação cooperativa de múltiplos
ativadores no enhancer forma um complexo multiproteico designado por Enhanceosome.
Mecanismos Moleculares De Ativação E Repressão Da Transcrição
Os ativadores e repressores interagem
com complexos multiproteicos
designados por complexos mediadores
de transcrição. Este complexo liga-se á
RNA Pol II e dirige diretamente a
formação dos complexos de pré iniciação da transcrição.
Os repressores podem dirigir a desacetilação das histonas em genes específicos. Estudos
in vitro mostraram que a formação de
um nucleossoma com histonas não
acetiladas não permite a ligação de
fatores de transcrição á TATA box ou á
região de iniciação da transcrição.
Em histonas não acetiladas, o grupo N-
terminal das lisinas estão positivamente carregadas e interagem com os fosfatos do DNA.
As histonas não acetiladas também interagem com os octâmeros de histonas que estão na
vizinhança, o que promove o empacotamento da cromatina.

14. GUSTAVO PINHO MAIA 14
Como resultado deste empacotamento, os fatores de transcrição não se podem ligar e desta
forma não se forma o complexo de pré iniciação da transcrição.
No caso de as histonas estarem
hiperacetiladas a ligação dos fatores de
transcrição é muito menos inibida. Neste
caso o grupo N-terminal das lisinas está
neutralizado e desaparecem as fortes
interações com os fosfatos do DNA.
A repressão e ativação de muitos genes
em eucariotas superiores ocorre de uma
forma semelhante., no entanto, a observação de que determinados repressores eucarióticos
inibem in vitro a transcrição na ausência de histonas, indicam que deve existir um
mecanismo mais direto de repressão da transcrição, que não envolve a desacetilação das
histonas.
Tradução
A tradução é um processo através do qual a sequência de nucleótidos de um mRNA é
utilizada para ordenar e juntar os aminoácidos numa cadeia polipeptídica. Nos eucariotas,
a síntese de proteínas ocorre no citoplasma, onde as 3 moléculas de RNA desempenham
funções distintas, mas cooperativas.

15. GUSTAVO PINHO MAIA 15
• mRNA – Transporta a informação genética transcrita do DNA, na forma de
sequências de 3 nucleótidos, designados por codões, cada um dos quais especifica
um aminoácido.
• tRNA – Constitui a chave para decifrar os codões do mRNA. Cada aminoácido liga-
se a um tRNA que o transporta para o
fim da cadeia polipeptídica que está a
ser sintetizada. O tRNA com o
aminoácido correto, é selecionado em
cada passo da síntese da cadeia
polipeptídica, porque o tRNA possui
uma sequência com três nucleótidos,
um anti codão, que emparelha com o
codão complementar do mRNA.
O tRNA ou RNA de transferência possui:
▪ Cerca de 70-80 nucleótidos
▪ O terminal 3’ é o aceitador de aminoácidos (braço aceitador)
▪ Traduzem informação de nucleótidos em aminoácidos
▪ Estrutura secundária e terciária complexa
▪ Execução de diferentes funções
▪ Zonas de emparelhamento de bases
▪ Steam-loop com anti-codão
▪ Bases modificadas: A Inosine resulta da deaminação da adenina

16. GUSTAVO PINHO MAIA 16
• rRNA – Associa-se a proteínas e forma o ribossoma. Esta estrutura vai movimentar-
se ao longo do mRNA e catalisa a formação das cadeias polipeptídicas.
A Ligação Do tRNA Ao Aminoácido
Uma aminoacyl-tRNA sintetase (existem 20) liga um aminoácido especifico ao tRNA. Estas
enzimas ligam um aminoácido ao grupo hidroxilo 2’ e 3’ da adenosina do terminal 3’ do
tRNA, através da hidrólise de ATP. Como o aminoácido fica ligado ao tRNA através de uma
ligação altamente energética, diz-se que este está ativado. A energia desta ligação dirige a
formação de ligações peptídicas entre os aminácidos na cadeia polipeptídica que se esta a
sintetizar.
Como alguns aminoácidos são semelhantes estruturalmente, as aminoacyl-tRNA sintetases
por vezes cometem erros. Estes erros são corrigidos por elas próprias que fazem
“proofreading”. Isto garante que o tRNA entrega o aminoácido correto á maquinaria de
síntese da proteína

17. GUSTAVO PINHO MAIA 17
Emparelhamento Codão - Anti codão não convencional
Por vezes pode ocorrer um emparelhamento não standard entre o codão e o anti codão na
posição wobble (base na posição 3 do
mRNA). Se ocorresse sempre um
emparelhamento perfeito Watson-Crick,
as células teriam que ter no mínimo 61
tRNAs diferentes, no entanto, existem
células que têm menos que isso.
Este emparelhamento na posição wobble
permite que um tRNA reconheça mais do
que um codão, isto permite que cada
codão seja reconhecido por mais do que
um tRNA.
Código Genético
Código genético é a relação entre a sequência de bases no DNA e a sequência
correspondente de aminoácidos, na proteína. O código genético forma os modelos
hereditários dos seres vivos. É nele que está toda a informação que rege a sequência dos
aminoácidos codificada pelo encadeamento de nucleotídeos. Estes são compostos de
desoxirribose, fosfato e uma base orgânica, do tipo citosina, adenina, guanina ou timina.

18. GUSTAVO PINHO MAIA 18
• Os codões que codificam o mesmo aminoácido são designados por sinónimos.
• O código genético diz-se degenerado, o que significa que existe mais do que um
codão que codifica o mesmo aminoácido.
• A síntese de cadeia polipeptídica inicia-se com o aminoácido metionina, codão AUG.
• Os três codões UAA, UGA e UAG constituem os codões stop. Estes codões marcam
o fim da cadeia polipeptídica em quase todas as células.
• A sequencia de codões vai do codão de iniciação até ao codão stop é designada
por cadeia de leitura (Reading frame).
A maior parte dos mRNAs apenas pode ser
lida como uma única cadeia de leitura
(Reading frame). Os codões stop
encontrados nas outras duas possíveis
cadeias de leitura levariam a que a
tradução terminasse antes de se produzir
uma proteína funcional. O significado de cada codão é o mesmo na maior parte dos
organismos. No entanto, existem algumas exceções.
A maior parte das variações envolve a leitura de codões top como aminoácidos.