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Ignez CaracelliIgnez Caracelli

BioMat – DF – UNESP/Bauru

Bauru, 08 de outubro de 2007

Aula 8Aula 8Estrutura 3D do DNA Estrutura 3D do DNA

IntroduçãoIntrodução a a BioquímicaBioquímica: : BiomoléculasBiomoléculas

Julio Julio ZukermanZukerman SchpectorSchpector

LaCrEMMLaCrEMM –– DQ DQ –– UFSCarUFSCar

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ORGANISMO

CÉLULA

NÚCLEO

CROMOSSOMOS(DNA+PROTEÍNAS)

- Informação das proteínas eRNAs que serão sintetizadaspelas células do organismo aolongo da sua vida.

-Capacidade de se auto-duplicarpara originar outras células.

DNADNA

SERES HUMANOSSERES HUMANOS

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HistóricoHistórico

1869 →→→→ JohannJohann FriedrichFriedrich MiescherMiescher:: descobre o DNA

ErnstErnst Felix Immanuel Felix Immanuel HoppeHoppe--SeylerSeyler trabalhando com JohannJohann FriedrichFriedrich MiescherMiescher::

Os dois trabalhavam com bandagens de feridos durante a guerra da Criméia, quando, a partir de células de pus, Miescher isola, graças a uma enzima digestiva do estômago (a pepsina), uma substância até então desconhecida que ele batiza de “nucleínanucleína.”

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Histórico: a Histórico: a nuclenucleíína na

HoppeHoppe--SeylerSeyler e MiescherMiescher oobservam a existência:

-- de fósforode fósforo (inesperado na época)(inesperado na época)

-- presença de um presença de um açúcar açúcar na na nucleínanucleína (a desoxirribose)(a desoxirribose)

-- carcarááter ter áácidocido

os bioquímicos os bioquímicos renomeamrenomeam a a nucleínanucleína de “de “ácido ácido

desoxirribonucléicodesoxirribonucléico”. ”.

Entretanto, seu papel genético e sua estrutura Entretanto, seu papel genético e sua estrutura permanecerão desconhecidos por muito tempo.permanecerão desconhecidos por muito tempo.

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Histórico: a Histórico: a nuclenucleíínana

1915 →→→→ Thomas MorganThomas Morgan: correlação entre um gene (genótipo) e uma característica física (fenótipo)

1953 →→→→ RosalindRosalind FranklinFranklin, James Watson, Francis , James Watson, Francis

CrickCrick, Maurice , Maurice WilkinsWilkins: Estrutura 3DEstrutura 3D

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A estrutura 3D do DNAA estrutura 3D do DNA

soluçãosolução

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fonte de RX

melhora do feixe RXmelhora do feixe RX

difraçãodifração

detecção detecção

processamento processamento de dadosde dados

Estrutura:Estrutura:solução e solução e refinamentorefinamento

Cristalografia Cristalografia –– Difração de Raios XDifração de Raios X

cristalcristal

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Resultado de experimentos de Resultado de experimentos de difração para difração para proteínasproteínas

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Histórico: Defendendo o Legado de FranklinHistórico: Defendendo o Legado de Franklin

Dr. Dr. LynneLynne Osman Osman ElkinElkin, , professor de ciências professor de ciências

biológicas em biológicas em CaliforniaCalifornia StateStateUniversityUniversity, , HaywardHayward

http://www.http://www.pbspbs..org/wgbh/novaorg/wgbh/nova/photo51/elkin/photo51/elkin..htmlhtml

Rosalind FranklinRosalind Franklin

With all she did to make Watson and Crick's discovery possible, Rosalind Franklin was essentially "a de facto collaborator“. (Lynne Osman Elkin) Ignez Caracelli 10

Histórico: Defendendo o Legado de FranklinHistórico: Defendendo o Legado de Franklin

““Os geneticistas consideram Os geneticistas consideram hoje que hoje que RosalindRosalind Franklin fez Franklin fez mais do que preparar o terreno mais do que preparar o terreno

para Watson e para Watson e CrickCrick; ela ; ela deveria ter partilhado com eles deveria ter partilhado com eles

o prêmio Nobel se estivesse o prêmio Nobel se estivesse viva na ocasião”viva na ocasião”

Rosalind FranklinRosalind FranklinPascal Acot. Ciência e Ambiente, v 26, 2003.

A DUPLA REVOLUÇÃO DA DUPLA HÉLICE

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Histórico: Defendendo o Legado de FranklinHistórico: Defendendo o Legado de Franklin

Rosalind FranklinRosalind Franklin

foto de difração de raios X foto de difração de raios X do DNAdo DNA

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A obtenção da estrutura 3D do DNAA obtenção da estrutura 3D do DNA

WilkinsWilkins, que trabalhava no mesmo grupo , que trabalhava no mesmo grupo que que RosalindRosalind, mostrou a imagem , mostrou a imagem obidaobida

por por RosalindRosalind Franklin a Watson ,sem que Franklin a Watson ,sem que ela soubesse.ela soubesse.

Watson e Francis Watson e Francis CrickCrick determinaram a determinaram a partir dessa foto a estrutura do DNA.partir dessa foto a estrutura do DNA.

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Estrutura 3D do DNA Estrutura 3D do DNA –– o o “X”“X”

hélice hélice

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Estrutura 3D do DNA Estrutura 3D do DNA –– os os “diamantes”“diamantes”

grupos açúcargrupos açúcar--fosfatofosfato

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Estrutura 3D do DNA Estrutura 3D do DNA –– as as “camadas”“camadas”

pares de basespares de bases

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Estrutura 3D do DNA Estrutura 3D do DNA –– as as “camadas”“camadas”

pares de basespares de bases

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Estrutura 3D do DNA Estrutura 3D do DNA –– as as “camadas 4”“camadas 4”

dupla hélice:dupla hélice:sulcossulcos

sulco maiorsulco maior

sulco menorsulco menor

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A A estruturaestrutura 33--D do DNAD do DNA

A maneira e forma particular como se enovela foi sugerida pela primeira vez em 1953, quando os experimentos de RosalindRosalind FranklinFranklin e Maurice Maurice WilkinsWilkins que fizeram fotografias de raios X de fotografias de raios X de

fibras de DNAfibras de DNA, foram analisadas por James Watson e Francis Crick, permitindo deduzir a estrutura do DNA e seu mecanismo de replicação.

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443322

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Estrutura 3D do DNAEstrutura 3D do DNA

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DNA

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DNA

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DNA

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DNAGrupoGrupofosfatofosfato

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DNA Grupo Grupo glicosglicosíídicodico

ribose

desoxirribose

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DNA BasesBases

purinapurina

pirimidina Ignez Caracelli 26

pirimidinaspirimidinas

BasesBases

purinaspurinas

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BasesBases -- PirimidinaPirimidina

Timina (T)

Uracila (U) Timina (T) Citosina (C)5-metilcitosina

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Bases Bases -- PurinaPurina

Adenina Adenina (A)(A)

Guanina Guanina (G)(G)

XantinaXantina

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Estrutura Geral de Estrutura Geral de um um ÁÁcidocido NucleicoNucleico

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Adenina (A)

Guanina (G)

Timina (T)

Citosina (C)

Estrutura química parcial do Estrutura química parcial do ácido ácido desoxirribonucleicodesoxirribonucleico

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Au

men

tod

aco

mp

lexi

dad

e

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NucleosNucleosíídeosdeos == basebase + açúcaraçúcar

AdenosinaAdenosina GuanosinaGuanosina

CitidinaCitidina TimidinaTimidina

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Nucleotídeos Adenosina monofosfato (ácido adenílico) Adenosina difosfato Adenosina trifosfato

AMP ADP ATP

Guanosina monofosfato (ácido guanílico) Guanosina difosfato Guanosina trifosfato

GMP GDP GTP

Citidina monofosfato (ácido citidílico) Citidina difosfato Citidina trifosfato

CMP CDP CTP

Uridina monofosfato (ácido uridílico) Uridina difosfato Uridina trifosfato

UMP UDP UTP

Timidina monofosfato (ácido timidílico) Timidina difosfato Timidina trifosfato

TMP TDP TTP Ignez Caracelli 34

nucleotídeosnucleotídeos:: DNADNA e e RNARNA

DNADNApurinas: adenina (A) e guanina (G)pirimidina: citosina (C) e (timina) (T)

RNARNApurinas: adenina (A) e guanina (G)pirimidina: citosina (C) e uracila (U)

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DNADNA e RNARNA

O número de unidades de bases existentes em ácidos nucleicos pode ser

•• alto como 10alto como 1077 ou 10ou 1088 nas fitas de DNA nas fitas de DNA cromossômicocromossômico

ou

•• baixo como 80 no RNA transportadorbaixo como 80 no RNA transportador

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DNADNA e RNARNA

Embora existam Embora existam irregularidades:irregularidades:

A/TA/T = 1 e = 1 e G/CG/C = 1= 1

Uma relação tão Uma relação tão simples não simples não

existe para as existe para as bases do RNA, bases do RNA,

exceto para exceto para alguns RNA de alguns RNA de

vírus.vírus.

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A A estruturaestrutura 33--D do DNAD do DNA

Duas cadeias helicoidais de polinucleotídeos que estão enroladas ao longo de um eixo comum.

As cadeias correm em direções opostasdireções opostas.

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A A estruturaestrutura 33--D do DNAD do DNA

As bases de purina e As bases de purina e pirimidina estão no interior pirimidina estão no interior da hélice, enquanto que as da hélice, enquanto que as unidades de fosfato e unidades de fosfato e desoxirribose estão no desoxirribose estão no exterior. exterior.

Os planos que contém as Os planos que contém as bases são perpendiculares bases são perpendiculares ao eixo da hélice. Os planos ao eixo da hélice. Os planos que contém os açúcares que contém os açúcares estão formando ângulos estão formando ângulos quase retos com as bases.quase retos com as bases.

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A A estruturaestrutura 33--D do DNAD do DNA

Os planos que contém Os planos que contém as bases são as bases são perpendiculares ao eixo perpendiculares ao eixo da hélice. Os planos que da hélice. Os planos que contém os açúcares contém os açúcares estão formando ângulos estão formando ângulos quase retos com as quase retos com as bases.bases.

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A A estruturaestrutura 33--D do DNAD do DNA

O diâmetro da hélice é de 20 Å. As bases adjacentes estão separadas por 3,4 Å ao longo do eixo da hélice e relacionadas por uma rotação de 36°. Portanto, a estrutura helicoidal se repete em cada cadeia depois de dez resíduos; isto é, a intervalos de 34 Å.

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A A estruturaestrutura 33--D do DNAD do DNA

As duas cadeias permanecem unidas por As duas cadeias permanecem unidas por ligações de hidrogênio entre os pares de bases.ligações de hidrogênio entre os pares de bases.

para a cadeia dopara a cadeia do

ácido nucléicoácido nucléico

para a cadeia dopara a cadeia do

ácido nucléicoácido nucléico

AdeninaAdenina

TiminaTimina

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PareamentoPareamento de Bases do DNAde Bases do DNA

Adenina (A) pareia com Timina (T) através de 2 ligações de hidrogênio

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PareamentoPareamento de Bases do DNAde Bases do DNA

Guanina (G) pareia com Citosina (C) através de 3 ligações de hidrogênio

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guaninaguaninacitosinacitosina

adeninaadenina timinatimina

PareamentoPareamento de Bases do DNAde Bases do DNA

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A A estruturaestrutura 33--D do DNAD do DNA

A adenina está emparelhada A adenina está emparelhada com a timina. com a timina.

A guanina está emparelhada A guanina está emparelhada com a citosina.com a citosina.

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A A estruturaestrutura 33--D do DNAD do DNA

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AA--DNA; BDNA; B--DNADNA

As fotografias de raios X mostraram dois tipos de estruturas de DNA: A-DNA e B-DNA.

O B-DNA foi obtido quando o DNA estava totalmente hidratado como se estivesse in

vivo. O A-DNA foi obtido sob condições não-

fisiológicas de hidratação (estava desidratado).

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AA--DNA; BDNA; B--DNA; ZDNA; Z--DNADNA

Estudos posteriores mostraram mais um tipo, o Z-DNA.

A diferença entre A e B-DNA está no número médio de pares de bases por volta da hélice: 10,9 no A-DNA e 10 no B-DNA.

Já o Z-DNA tem uma estrutura um pouco diferente, com uma hélice de mão esquerda o esqueleto de açúcares e fosfato fazem um caminho em zig-zag.

O B-DNA é a conformação mais importante in

vivo.

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Projeções Axiais dos tipos de DNAProjeções Axiais dos tipos de DNA

Ignez Caracelli 50O BO B--DNA é o predominante em condições fisiológicas DNA é o predominante em condições fisiológicas

B-DNA A-DNA Z-DNA

Os tipos de DNAOs tipos de DNA

Ignez Caracelli 51O BO B--DNA é o predominante em condições fisiológicas DNA é o predominante em condições fisiológicas

B-DNA A-DNA Z-DNA

Os tipos de DNAOs tipos de DNA

Rosalind Franklin duas descobertas maiores:

a da possível cristalização cristalização do DNAdo DNA sob duas formas:

a forma Bforma B

e a forma Aforma A.

Ignez Caracelli 52O BO B--DNA é o predominante em condições fisiológicas DNA é o predominante em condições fisiológicas

B-DNA A-DNA Z-DNA

Os tipos de DNAOs tipos de DNAa forma B, com 10 pares10 paresde nucleotídeos para cada volta de hélice, e que corresponde às condições fisiológicas mais correntes; e a forma Aforma A, com 11 pares11 paresde nucleotídeos por volta, encontrados às vezes quando o grau de hidratação é mais baixo(< 65%).

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O Dogma CentralO Dogma Central

replicaçãotranscrição translação

proteína proteína