áCidos nucleicos e síntese proteínas power point(2)

Margarida Barbosa Teixeira ÁCIDOS NUCLEICOS E SÍNTESE DE PROTEÍNAS

Célula Procariótica Bactéria Cianobactéria

Célula Procariótica Vs. Eucariótica

Localização do material genético Nas células procarióticas o material genético encontra-se no hialoplasma. Nas células eucarióticas o material genético encontra-se essencialmente no núcleo.

Funções das Estruturas Celulares Estrutura Celular Funções principais Parede Celular Rigidez Membrana celular Trocas com o meio extracelular. Complexo de Golgi Secreção Lisossoma Digestão intracelular Vacúolo Reservatório de água, iões, pigmentos… Núcleo Controlo da atividade celular Mitocôndria Produção de energia (respiração celular) Cloroplasto Produção de compostos orgânicos Ribossoma Síntese de proteínas R.E.R. Síntese de proteínas e transporte R.E.L. Síntese de lípidos e transporte Centríolo Divisão celular

Célula Procariótica Vs. Eucariótica Características Célula procariótica Célula eucariótica Tamanho Diâmetro médio 0,5 – 5  m Cerca de 40  m de diâmetro. Em regra, 1000 a 10 000 vezes o volume da célula procariótica. Parede celular Rígida. Constituída por polissacarídeos com aminoácidos. Ausente nos animais e em alguns protistas. Presente nas plantas, nos fungos e em alguns protistas. Rígida. Formada por celulose nas plantas e por quitina nos fungos. Material genético Não existe invólucro nuclear, nem nucléolo. Constituído por uma molécula de DNA. Está em contacto direto com o citoplasma, constituindo o nucleoide. Existência de invólucro nuclear e de um ou mais nucléolos. Constituído por mais de 2 moléculas de DNA. As moléculas de DNA encontram-se associadas a proteínas (as histonas), constituindo cromossomas. Organelos Ausência de organelos membranares. Contêm muitos ribossomas que têm menores dimensões que os das células eucarióticas. Muitos organelos membranares, como mitocôndrias, cloroplastos, retículo, complexo de Golgi, lisossomas… Organelos não membranares, como ribossomas e centríolos. Estruturas respiratórias Hialoplasma Membrana plasmática. Mitocôndrias. Estruturas Fotossíntese Sem cloroplastos. Por vezes possuem lamelas fotossintéticas. Cloroplastos. Flagelos Organelos locomotores simples não rodeados pela membrana plasmática, ligados à superfície da célula. Organelos locomotores complexos, rodeados por membrana plasmática.

Experiência de Griffith - 1928 Diplococcus pneumoniae (bactéria causadora da pneumonia). Apresenta duas formas: Tipo R ( rough , rugoso)  desprovidas de cápsula, com aspeto rugoso; Tipo S ( smooth , liso)  envolvidas por uma cápsula com aspeto liso.

Experiência de Griffith - 1928 Lote 1 O rato produz anticorpos que destroem as bactérias não capsuladas. Lote 2 Os anticorpos não destroem a cápsula. A bactéria sobrevive. O rato morre. Lote 1

Experiência de Griffith - 1928 Lote 3 As bactérias patogénicas são mortas pelo calor. Lote 4 As bactérias R transformaram-se em S. Alguma substância proveniente das bactérias S mortas integrou-se nas R, tornando-as capazes de produzirem cápsulas e consequentemente transformando-as em bactérias S. Griffith chamou a essa substância “princípio transformante”.

Experiência de Avery- 1944 Com DNA as bactérias R transformam-se em S. O DNA das S mortas dá informação às R para produzirem cápsula. As bactérias R transformam-se em S. Sem DNA as bactérias R não se transformam em S. Com esta experiência Avery e seus colaboradores verificaram a natureza química do princípio transformante - DNA

Experiência de Hershey e Chase - 1953 Hershey e Chase consideraram que: As proteínas da cápsula do vírus têm enxofre (S), não têm fósforo (P). O DNA tem fósforo (P), não tem enxofre (S).

Experiência de Hershey e Chase - 1953 Se os novos vírus B não têm radiatividade na cápsula As proteínas das cápsulas dos vírus não penetraram nas bactérias. Se os novos vírus A têm DNA radiativo O DNA viral entrou nas bactérias. Foi o DNA viral que entrou na bactéria, originando novos vírus. O DNA contem a informação para a produção de novos vírus.

Ácidos nucleicos Composição química grupo fosfato, pentoses (desoxirribose ou ribose), bases azotadas (adenina, timina, citosina, guanina e uracilo). ADN – Ácido Desoxirribonucleico ARN – Ácido Ribonucleico

Ácidos nucleicos - Constituição

Ácidos nucleicos - Constituição Os ácidos nucleicos são polímeros constituídos por um elevado número de unidades básicas, os nucleótidos . Cada nucleótido é constituído por: um grupo fosfato, uma pentose (ribose ou desoxirribose), uma base azotada (adenina, timina, guanina, citosina ou uracilo);

Ácidos nucleicos - Constituição Em função da base azotada que contêm existem: 4 desoxiribonucleótidos diferentes (de adenina, de timina, de citosina e de guanina); 4 ribonucleótidos diferentes ( de adenina, de uracilo, de citosina, de guanina).

Formação de um polinucleótido Os nucleótidos unem-se sequencialmente formando-se uma cadeia polinucleotídica. Cada novo nucleótido liga-se pelo grupo fosfato, através de uma ligação covalente, ao carbono 3’ da pentose do último nucleótido da cadeia, repetindo-se o processo no sentido 5’  3’ A extremidade livre inicial da cadeia polinucleotídica é a 5’e a final é a 3’ A cadeia cresce no sentido 5’  3’

Formação de um polinucleótido

DNA / RNA DNA RNA Bases azotadas A, T, C, G A, U, C, G Pentose Desoxirribose Ribose Molécula /cadeia 1 molécula / 2 cadeias 1 molécula / 1 cadeia Comprimento Longa Curta Estrutura Helicoidal Linear Localização Núcleo Núcleo / citoplasma Duração Longa Curta

Estrutura do DNA Dados obtidos a partir de diferentes trabalhos científicos Composição quantitativa em bases azotadas de amostras de DNA provenientes de diferentes organismos (Chargaff- 1950) Chargaff concluiu que, em cada espécie, a percentagem: de adenina é semelhante à de timina, de citosina é semelhante à de guanina. A+G = T+C A relação A+G / T+C tem um valor próximo da unidade

Estrutura do DNA Dados obtidos a partir de diferentes trabalhos científicos Difração dos raios X através de DNA cristalizado (Rosalind Franklin e Maurice Wilkins - 1951) Da interpretação de fotografias de difracção dos raios X através de DNA cristalizado concluíram que esta molécula tem uma estrutura em hélice.

Estrutura do DNA Dados obtidos a partir de diferentes trabalhos científicos Observação do DNA ao microscópio eletrónico Análises de DNA ao microscópio eletrónico revelaram que a espessura de uma molécula de DNA (2 nm) é dupla da de uma cadeia polinucleotídica (1 nm). Uma molécula de DNA é formada por 2 cadeias polinucleotídicas, dispostas lado a lado.

Estrutura do DNA Modelo de Watson e Crick (1953)

Estrutura do DNA Modelo de Watson e Crick (1953) No modelo em “escada em caracol” os corrimãos da escada são formados pelas unidades açúcar-fosfato dos nucleotídeos. Cada degrau é constituído por um par de bases azotadas. A partir das relações descobertas por Chargaff, Watson e Crick concluíram que as duas cadeias polinucleotídicas paralelas estão unidas por pontes de hidrogénio entre as bases azotadas, sempre uma base púrica emparelhada com uma base pirimídica: adenina com timina e guanina com citosina (A-T e G-C). Cada uma das cadeias cresce de 5’ para 3´.

Estrutura do DNA Modelo de Watson e Crick (1953) As duas cadeias desenvolvem-se em sentidos opostos; à extremidade 5´ de uma cadeia corresponde a extremidade 3´ da outra – as cadeias são antiparalelas. De acordo com os trabalhos de Rosalind Franklin e Wilkins, as duas cadeias polinucleotídicas enrolam-se helicoidalmente à volta de um mesmo eixo.

Estrutura do DNA Modelo de Watson e Crick (1953) Nas sequências nucleotídicas, o número de nucleótidos e as diferentes ordenações dos quatro tipos de nucleótidos conduzem a uma elevada diversidade de moléculas de DNA. É nas sequências nucleotídicas que está codificada a informação genética que define as características de cada indivíduo. Os genes são segmentos de DNA, com uma sequência nucleotídica própria, que contém determinada informação. O conjunto de genes que constitui a informação genética de um indivíduo tem o nome de genoma.

Estrutura do RNA A pentose é a ribose. Nucleótidos de adenina, uracilo, citosina e guanina. Uma só cadeia polinucleotídica curta, linear ou dobrada.

Tipos de RNA RNA mensageiro mRNA RNA de transferência tRNA RNA ribossómico rRNA Cadeia simples linear. Transporta a informação contida no DNA para o local de síntese proteica (ribossomas). Cadeia simples dobrada em determinadas regiões. Transfere os aminoácidos para o local de síntese proteica (ribossomas). Cadeia simples dobrada. Faz parte da constituição dos ribossomas.

Duplicação do DNA - hipóteses Replicação semiconservativa Cada uma das moléculas originadas contém uma cadeia completa da molécula original e uma cadeia nova. Replicação conservativa Preserva a molécula original e gera uma molécula inteiramente nova. Replicação dispersiva Produz duas moléculas com DNA original e novo, intercalados ao longo das cadeias.

Replicação Semiconservativa do DNA As duas cadeias da dupla hélice, na presença de enzimas específicas, DNA-polimerases, separam-se por rutura das ligações de hidrogénio. Cada uma dessas cadeias serve de molde à formação de uma cadeia complementar, sendo utilizados nucleótidos que existem livres na célula. As ligações entre nucleótidos processam-se no sentido 5’ 3’, crescendo as duas cadeias em sentidos opostos.

Replicação Semiconservativa do DNA Formam-se simultaneamente duas cadeias novas de desoxirribonucleótidos de acordo com a regra de complementaridade de bases. Estas novas cadeias são complementares das duas cadeias originais, sendo cada uma antiparalela em relação à que lhe serviu de molde. Como cada uma das novas cadeias é uma réplica de uma das cadeias originais, as duas novas moléculas de DNA são iguais à molécula de DNA original. Deste modo é transmitido e conservado o património genético de geração em geração (transmitido porque a partir de uma molécula formam-se duas; conservado porque as novas moléculas são iguais à original).

Replicação Semiconservativa do DNA

Replicação Semiconservativa do DNA Experiência de Meselson e Stahl Em 1958, investigações realizadas por Meselson e Stahl permitiram esclarecer o mecanismo de replicação do DNA.

Replicação Semiconservativa do DNA Experiência de Meselson e Stahl Resultados As bactérias cultivadas num meio com 15N foram transferidas para o meio com 14N. Antes de se iniciar a reprodução retirou-se um lote de bactérias (G0) e verificou-se que todas as bactérias apresentavam um DNA pesado (15N). Mantiveram as restantes bactérias no meio com 14N e retirou-se novo lote: - ao fim de 20 minutos (G1), tendo-se verificado que todas as bactérias apresentavam DNA de densidade intermédia entre o DNA só com 15N e o DNA só com14N (14N15N); - ao fim de 40 minutos (G2), em que 50% das bactérias apresentavam um DNA de densidade intermédia (14N15N) e os outros 50% apresentavam um DNA de densidade normal (14N).

Replicação Semiconservativa do DNA Experiência de Meselson e Stahl Interpretação dos Resultados O DNA obtido na geração G1 tem uma densidade intermédia Possui igual quantidade de DNA leve (14N) e DNA pesado (15N) O DNA tem uma cadeia polinucleotídica com 15N e outra com 14N. O DNA formou-se a partir de uma cadeia da molécula original (com 15N) e de outra cadeia, nova (com 14N), formada à custa de nucleótidos do meio. A experiência comprova que a replicação do DNA é semiconservativa

Replicação Semiconservativa do DNA Experiência de Meselson e Stahl Se a duplicação do DNA fosse conservativa, na geração G1: Interpretação dos Resultados constituído pelas moléculas originais constituído por cadeias polinucleotídicas totalmente novas, formadas à custa de nucleótidos do meio 50% do DNA teria que ser pesado (15N) 50% do DNA teria que ser leve (14N), A experiência nega a hipótese conservativa

Replicação Semiconservativa do DNA Experiência de Meselson e Stahl Se a duplicação do DNA fosse dispersiva, na geração G1: Interpretação dos Resultados constituído por porções da molécula de DNA original associadas a novas porções constituídas por nucleótidos do meio Apareceria DNA disperso por todo o tubo, o DNA teria densidades variadas A experiência nega a hipótese dispersiva

Código genético O código genético é um código universal que estabelece a correspondência entre um codão do mRNA e um aminoácido. Envolve a codificação de 22 aminoácidos a partir de 4 nucleótidos diferentes. Cada codão corresponde a um conjunto de três nucleótidos - tripleto - de mRNA , complementar de um codogene (do DNA), que codifica um determinado aminoácido ou o início ou o fim da síntese proteica.

Código genético Um dos codões tem uma função dupla, a de iniciar a síntese proteica ( codão de iniciação ) e de codificar o aminoácido metionina. Os codões UAA, UAG, UGA são os codões que terminam a tradução; são denominados codões de finalização . O código genético não é ambíguo , pois um codão só codifica um aminoácido. O código genético é redundante , pois diferentes codões codificam o mesmo aminoácido

Transcrição do DNA O processo de transcrição permite não só a síntese de RNA mensageiro (mRNA), mas também de outros tipos de RNA, nomeadamente, RNA ribossómico (rRNA) e RNA de transferência (tRNA). Na transcrição a informação contida no DNA é transcrita para uma sequência de ribonucleótidos que constituem uma molécula de RNA pré-mensageiro.

Transcrição do DNA A informação do DNA é transcrita para RNA. Ocorre a síntese de uma molécula de RNA a partir de uma porção da cadeia de DNA que lhe serve de molde (só uma das cadeias de DNA é utilizada como molde). A RNA polimerase fixa-se sobre uma sequência de DNA, desliza ao longo dela, provocando a quebra das ligações de hidrogénio entre as bases azotadas complementares e consequentemente a sua abertura.

Transcrição do DNA A transcrição ocorre por complementaridade de bases; assim, os ribonucleótidos livres existentes no meio (núcleo) colocam-se em frente dos nucleótidos de DNA complementares. A polimerização dos ribonucleótidos faz-se no sentido 5’ 3’. À medida que ocorre a polimerização do RNA esta molécula vai-se separando da cadeia de DNA molde. A molécula de DNA reconstitui-se, estabelecendo-se pontes de hidrogénio entre as bases azotadas complementares. No final da transcrição a molécula de RNA fica separada da molécula de DNA e esta adquire a estrutura original.

Processamento do mRNA A molécula de DNA contém sequências de nucleótidos que não codificam informação (intrões), intercaladas com sequências que codificam (exões) . No processamento de mRNA os intrões são retirados do RNA pré-mensageiro e os exões unidos, tornando-se o RNA funcional (mRNA).

Processamento do mRNA O pré-mRNA após ser formado experimenta o processamento, que o transforma em mRNA funcional. O DNA contém sequências de nucleótidos que não codificam informação (intrões) e sequências de nucleótidos que codificam informação (exões). Na transcrição forma-se um pré-mRNA constituído por intrões e exões. No processamento do pré-mRNA, por acção enzimática, são retirados os intrões, e posteriormente ocorre a união dos exões, formando-se o mRNA maduro ou funcional. O mRNA formado atravessa os poros do invólucro nuclear e atinge o citoplasma para se fixar ao ribossoma.

Tradução A tradução consiste na transformação da mensagem contida no mRNA na sequência de aminoácidos que constituem a proteína.

Tradução - intervenientes Intervenientes Função mRNA Contém a informação genética para a síntese de proteínas. Aminoácidos Moléculas básicas para a construção das proteínas. tRNA Transfere os aminoácidos para junto dos ribossomas. Ribossomas Sistemas de leitura. Enzimas Catalisam as reações que ocorrem em todo o processo. ATP Transfere energia para o sistema.

Tradução RNA de transferência - tRNA Cada molécula de RNA de transferência possui uma sequência de 3 nucleótidos designada anticodão , complementar de um codão do RNAm. Na outra extremidade liga-se o aminoácido codificado pelo codão do RNAm, complementar do anticodão que o tRNA possui. Por exemplo, o tRNAcom o anticodão UAC transporta o aminoácido codificado pelo codão do RNAm que lhe é complementar (AUG), neste caso a Metionina (Met).

Tradução - Iniciação A subunidade menor do ribossoma liga-se ao mRNA. O 1º tRNA transporta a metionina até ao ribossoma. A subunidade maior do ribossoma associa-se. Aproxima-se o 2º tRNA, com o respetivo aminoácido.

Tradução - Alongamento A metionina separa-se do seu tRNA e estabelece uma ligação peptídica com o 2º aminoácido. O ribossoma desloca-se um codão ao longo do mRNA, no sentido 5’ 3’. O 1º tRNA afasta-se do ribossoma. Chega novo tRNA com o respetivo aminoácido; o processo repete-se… e a cadeia polipeptídica vai crescendo.

Tradução -Finalização O ribossoma atinge um codão de finalização. Não existe tRNA com anti-codão complementar do codão de finalização. A síntese termina; a cadeia polipeptídica está formada. Os diferentes intervenientes separam-se.

Biossíntese de proteínas 1 – Molécula de DNA 2 – Transcrição da informação genética 3 – Tradução da informação genética 4 – Cadeia polipeptídica formada

Biossíntese de proteínas Polirribossoma Polirribossoma é um conjunto de ribossomas unidos por uma molécula de mRNA. Os diferentes ribossomas traduzem a mesma informação genética. Um polirribossoma conduz à síntese de várias proteínas iguais.

Características da biossíntese de proteínas A – mRNA B – cadeia de DNA Características da biossíntese de proteínas: Complexidade (devido à intervenção de vários agentes); Rapidez ; Amplificação – o mesmo segmento de DNA pode ser transcrito várias vezes, formando-se várias moléculas de mRNA e cada polirribossoma origina várias proteínas iguais.

Transporte de proteínas na célula

Mutações Mutações são alterações no material genético . As mutações podem ocorrer espontaneamente ou serem induzidas por agentes mutagénicos. As alterações ambientais trouxeram consigo um aumento considerável de fatores que conduzem a alterações do DNA e a um aumento da frequência das mutações. Os agentes mutagénicos dividem-se em três grupos: Físicos: raios X, raios gama e até raios ultravioleta são capazes de destruir as ligações químicas entre os nucleótidos. Químicos: substâncias cancerígenas, que danificam ligações químicas, ou substituem nucleótidos normais por outras moléculas. Biológicos: vírus e bactérias, que injetam parte do seu DNA na célula hospedeira, integrando-se nessa mesma cadeia de DNA provocando mutações.

Mutações As mutações ocorrem quer na formação dos gâmetas (células sexuais) quer nas outras células (células somáticas). Quando as mutações ocorrem ao nível dos gâmetas, podem ser transmitidas à geração seguinte. As mutações somáticas não são transmissíveis à descendência. Importância das mutações - são fonte importante de variabilidade genética, o que permite a diversidade dos organismos e a evolução das espécies.

Mutações Tipos de mutações : cromossómicas - alteração do material genético que afeta o número ou a estrutura dos cromossomas (ocorre durante a meiose); génicas – alteração do material genético que consiste na alteração da sequência nucleotídica do DNA (gene); As mutações podem conduzir à formação de proteínas com novas capacidades, que: podem ser inofensivas, podem originar doenças ou levar à morte, são a base do sucesso evolutivo dos organismos que as sintetizam.

Mutações génicas As mutações génicas são alterações que afetam a estrutura dos genes , ou seja, afetam a sequência de bases que codifica uma determinada proteína . Uma pequena alteração na sequência dos pares de bases que constituem a molécula de DNA pode originar uma proteína diferente da que seria inicialmente codificada pelo gene ao nível do qual ocorreu a mutação.

Mutações génicas Existem três tipos de alterações: Substituição: Quando se altera uma base azotada, trocando-a por outra na cadeia de ADN, o mRNA não vai ter o mesmo codão, o que faz com que seja codificado um aminoácido diferente, podendo geraro uma nova proteína e, consequentemente, ocorrendo uma mutação. Inserção: Quando se adiciona uma base azotada na cadeia de ADN vai se alterar toda a sequência de codões do mRNA após a inserção, alterando os aminoácidos que por sua vez conduzem à formação de uma proteína diferente. Deleção: Quando se apaga uma base azotada na cadeia de ADN toda a sequência de codões do mRNA após a deleção vai ser alterada, alterando também os aminoácidos codificados e, consequentemente, a proteína formada. Estas alterações podem levar a que haja alterações ao nível das proteínas produzidas. Quando a função desempenhada por essas proteínas é fundamental para o organismo, a versão mutada pode estar na origem de doenças.

Mutações génicas Por vezes, ocorrem mutações que não provocam alterações nas proteínas, pois, devido à redundância do código genético, o codão mutado pode codificar o mesmo aminoácido – mutações silenciosas. O codogene GAA mudou para GAG, ocorrendo assim uma substituição do terceiro nucleótido. Embora tenha ocorrido uma mutação, o aminoácido codificado é o mesmo e, consequentemente, a proteína produzida foi a mesma.

Mutações génicas – Anemia falsiforme A hemoglobina é uma proteína constituinte dos glóbulos vermelhos (hemácias), responsável pelo transporte de oxigénio no sangue. A anemia falsiforme ou drepanocitose é devida a uma alteração do material genético – mutação génica - que conduz à formação de uma hemoglobina anormal (hemoglobina S).

Mutações génicas – Anemia falsiforme A mutação ocorre durante a replicação do DNA - a timina (T) do gene normal é substituída pela adenina (A) no gene mutado. No mRNA, o codão GAG é substituído pelo codão GUG, o que vai fazer com a mensagem do mRNA seja diferente . Consequentemente, na tradução, é introduzido um aminoácido diferente (valina ao invés de ácido glutâmico), formando-se uma proteína diferente – uma hemoglobina anormal.

Mutações génicas – Anemia falsiforme A hemoglobina S sendo menos solúvel que a hemoglobina normal, agrupa-se formando longos bastonetes que deformam as hemácias, tomando a forma de foice, o que as impede de passar nos capilares e oxigenar os tecidos As hemácias em foice são mais rígidas e mais frágeis do que as hemácias normais, experimentando uma destruição muito rápida. A deficiência no transporte de oxigénio gera anemia grave e crises dolorosas, em particular ao nível das articulações. Esta doença afeta cerca de 1% dos indivíduos negros da África Central, podendo encontrar-se noutras regiões.

Outras mutações génicas Albinismo Alteração do material genético que conduz à ausência do pigmento melanina. Os indivíduos apresentam uma hipopigmentação geral: cabelos brancos, pele muito clara, extrema sensibilidade ao Sol, pupilas vermelhas (a despigmentação da íris e da retina conduzem à reflexão da luz sobre os vasos sanguíneos ). Hemofilia Alteração do material genético que conduz à malformação de uma proteína necessária à coagulação do sangue.

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