Baixe Estrutura e replicação do DNA e outras Notas de estudo em PDF para Nutrição, somente na Docsity! nam April 25, 1955 MOLECULAR STRUCTURE OF NUCLEIC ACIDS A structure for Deoxyribose Nucleic Acid We wish to suggest a structure for the sat of deoxyribose nucleie acid (D.N.A.). This structure has novel features which are of con siderable biological interest. À structure for nucleic acid has already been proposed by Paul ing and Corey". They kindly made their manuscript available to us in advance of publication. Their model consists of three inter twined chains, with the phosphates near the bre axis, and the bases on the outside. In our opinion, this structure is unsatisfactory ons: (1) We believe that the mater Xcray diagrams is lhe salt, not the free acid. Without the acídic for two re which gives the toms it is not clear what forces would hold the struc ture together, especially as the negatively the axis will repel each other. (2) Some of the van der W distances appear to be too small Another three-chain structure has also been si (in the press). In his model the phosphates are on the outside and hydrogen a gested by Fraser the bases on the inside, linked together by hydrogen bonds. This. structure as described is rather ill-defined, and for this r we shall not comment on it We wish to put forward a radically dif feremt structure for the salt of deoxyribose nucleie acid. This structure has two helcal chains each coiled round the same axis (see disgram). We have made the usual chemical assumptions, namely, that cach chain consists of phosphute diester groups joining 8-D-deoxyribofuranose residues with 3º, 5 linkages. The two chains (but not their bases) are related by a dyad perpendicular to the fibre axis, Both chains follow right-handed gelices, but owing to the dyad the sequences ofthe atoms in the two chains run in opposite directions. Each chain loosely resembles Furberg's? model No. 1; that is the bases are on the inside of the helix and the phospt side. The configuration of the sugar and the atoms near it is close to Furberg's standard configuration”, the sugar being ly perpendicular tothe attached base. There is a residue on each chain every 3-4. A, in the We have assumed an angle of 36º between adjacent residues in the same chain, sa that the structure repeats after 1O residues on each chain, that is, after 34 A. The distance of a phosphorus atom from the fibre axisis 10 A, As the phosphates are on the outside, cations have casy access to them. nd ts water content is rather high Atlower water contents we would expect the bases to tlt so that the structure could become more co The novel feature of the structure is the mamer in which the two chains are held together by the purine and pyrimidine bases. The planes of the bases are perpendicular to the fibre axis. They are joined together in pairs, à single base from one chain being hydrogen-bonded 10 a single base from the other chain, so that the two lie side by side with idemtical 2-co-ordinates. One of the A eds The structure is an open one npact NATURE pair mast be a purine and the other a pyrimidine for bonding to occur. The hydrogen bonds are made as follows: purine position [to pyrimidine position 1; purire position 6 to pyrmidine position 6, ft is assume that the bases only occur in the structure in the most piausible tautomerie forms (that is, with the keto rather than the enol configuration) it is found that only specific pairs of bases can bond together. These pairs are: adenine (purine) with thymine (pyrimidine), and guanine (purine) with cytosine (pyrimidine) In other words, if an adenine forms one member of either chain, then on these assumptons the other member must The sequence of single chain does not appear to be restricted in any way if only specific pairs of bases can be formed, it follows that if the sequence of bases on one chain is. be thymine; similariy for guanine ard eytosine bases an ically given. then the sequence on the cther chain is autom determined. Tt has been found experimentally* that the ratio of the amounts. of adenine to thymine, nd the ratio of guanine to cytosine, are always very close to unity for deonyribose nucleic acid. dt is probably impossible to build this structure with a ribose sugar in place of the deoxyribose, as the extra oxygen atom would make too close a van der Waals contact The previously published X-ray data”+ on deoxyribose nucleic acid are insufficient for a rigorous test of our structure. So far as we can tell tis roughly compatible with the experimental data but it must be regarded as unproved util it has been cl cked against more exact results, Some of these are given in the following com munications. We were not aware of the details of the results presented there when we devised our structure, which rests main. Iy though not entirely on published experimental data and stereo: chemical arguments It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulsied immediately suggests a possible copying mechanism for the geretic material Full details of the structure, including the conditions assumed in building it. together with a set of co-ordinates for the atoms, will be published elsewhere We are much indebted to Dr. Jerry Donohue for constant ad vice and criticism, especially on inter-atomie distances. We have also bezn stimulated by a knowledge of the general nature of the unpublshed experimental results and ídeas of Dr. M. H, E Wilkins. Dr. R. E ege, London. One of us (1, D. W.) has been aided by a fellowship from the National Foundation for Infantile Paralysis 3. D. Watson F.H.C, Crick Franklin and their co-workers at King's Col Medical Research Council Unit for the Study of the Molecular Structure of Biological Systems, Cavendish Laboratory, Cambridge April 2 Pauling L.. and Corey, R. B. Nature, 171, 346 (1953): Proc. U.S. Na. Acad Set. 39, 84 (1959) urbe. S.. Acta Chem. Scund.. 6, 638 (19 Chargalf. E.. for references see Zamenhof, S. Brawerman, G.. and Chargaft, E, Biochim. er Biophys. Acta, 9, 402 (1952) aWyat, G. Ro.) Gem. Physiol. 36, 201 (1952) *Ambury W. T.. Symp. Soc Univ. Press, 1947) eilkims, MH F 10, 192 (1953) Exp. Bio, 1, Nucleie Acid, 66 (Camb. and Randall, 3. T.. Biochim. et Biophys. Acta 1953 – Watson e Crick (segredo da vida) Descobrem a estrutura de dupla-hélice do DNA: “Notamos que o pareamento específico que postulamos sugere um possível mecanismo de cópia para o material genético”. Há 50 anos... O termo Biologia Molecular até recentemente vinha sendo aplicado quase que exclusivamente à Química de Ácidos Nucleicos Ácido Desoxiribonucleico - DNA Ácido Ribonucleico - RNA A Biologia Contemporânea está dirigida para o entendimento da interação de moléculas dentro das células e das interações entre células que permitem a construção de um organismo multicelular. No atual milênio duas grandes forças irão remodelar a Biologia Celular Molecular: Genomas: o conhecimento da seqüência completa de DNA de muitos organismos Proteomas: o conhecimento de todas as possíveis formas e funções das proteínas Início da década de 90 - ambicioso programa internacional - o Projeto Genoma Humano (3 bilhões de dólares), para determinar o completo manual de instruções do homem pela leitura da seqüência precisa de bases químicas (A, C, G e T) no DNA humano. Término - junho de 2000 Desenvolvimento da bioinformática tem sido absolutamente essencial para a Biologia Molecular Os ácidos nucleicos são moléculas muito mais simples que as proteínas Os ácidos nucleicos são formados de apenas 4 tipos de monômeros (alfabeto de 4 letras) Proteínas - alfabeto de 20 letras Atualmente, a Química dos Ácidos Nucleicos é fácil e muito bem padronizada Nucleotídeos: Unidades constitutivas dos ácidos nucléicos com função de armazenamento da Informação Genética DNA RNA Bases Nitrogenadas 2o anel de 5 carbonos fundido ao anel de 6 carbonos Anel de 6 carbonos O DNA sempre tem duas fitas de ácidos nucleicos enroladas em hélice • As duas fitas se mantêm juntas por PONTES DE HIDROGÊNIO • Para que o pareamento ocorra, ambas as FITAS têm que ser ANTIPARALELAS • O pareamento G-C tem 3 pontes de hidrogênio • O pareamento A-T tem 2 pontes de hidrogênio Pareamento de Bases Pirimidinas com Purinas A estabilidade da dupla hélice resulta em parte do grande número de pontes de hidrogênio entre os pares de bases As fitas da molécula de DNA (dupla hélice) podem ser separadas. Esse processo é denominado desnaturação. A renaturação ocorre quando se volta às condições físico químicas iniciais. Tm e % de GC Quanto maior a porcentagem de pares GC, mais difícil é a desnaturação As cadeias dos ácidos nucleicos são sintetizadas a partir de nucleotídeos trifosfatados - dNTPs (ricos em energia), por reações de polimerização (liberando pirofosfato inorgânico) durante a formação da LIGAÇÃO FOSFODIÉSTER As ligações fosfodiésteres ligam covalentemente os nucleotídeos e conferem uma polaridade química às fitas de DNA = extremidades 3’ e 5’ CADEIAS ANTIPARALELAS B-DNA = sob condições fisiológicas (Sol. com baixa concentração de sal), maioria do DNA das células; A-DNA = sob altas concentrações de sais ou em estado parcialmente desidratado. Hélice mais curta e larga. Não existe “in vivo”; Z-DNA = polímeros ricos em G:C, com purinas e pirimidinas alternadas na mesma fita, hélice menos torcida com movimento em zig-zag do esqueleto fosfato-açúcar. Forma encontrada “in vitro”. 1,9 nm 2,3 nm, 1,8 nm Único sulco profundo O DNA no núcleo: • Um cromossomo : uma molécula de DNA • Genoma: o conjunto de cromossomos de uma dada espécie • Genoma Humano: 46 cromossomos • 22 CROMOSSOMOS AUTOSSÔMICOS (X2) • 2 CROMOSSOMAS SEXUAIS • Total: 6 x 109 pares de nucleotídeos Composição química dos Cromossomos Eucarióticos 2 H2a : 2H2b 2H3 : 2 H4 Subunidade estrutural básica da cromatina Cromatina = DNA e Proteínas associadas (Histonas e não- Histonas). As histonas têm um papel estrutural importante (H1, H2a, H2b, H3 e H4) no empacotamento do DNA nos cromossomos. Meselson & Stahl, 1958 ty — "SS A enzima DNA-polimerase sintetiza a nova fita de DNA na direção 5’ 3’ DNA pol III de E. coli envolvida no processo de elongação da cadeia - catalisa a adição de nucleotídeos à extremidade 3’-OH da fita de DNA em crescimento DUPLICAÇÃO DO DNA NA CÉLULA: • Os genes que regulam o ciclo celular ativam os elementos que irão iniciar a REPLICAÇÃO • Cada “REPLICON” é ativado uma única vez durante a fase S da Intérfase Forquilha de Replicação é Assimétrica Fita Líder ou Leading strand Fita Tardia ou Lagging strand Replicação Bidirecional des direction of fork movement ums | lagging-strand template leading-strand template of right-hand fork of left-hand fork a Gu, most recently synthesized DNA lagging-strand template E of left-hand fork leading-strand template of right-hand fork Primase sintetiza o RNÁ iniciador Template Initiation of Synthesisof “10 Extension of RNA primer DNA ENA synthesis RNA primer , by DNA polymerase v y nucleotídeos y CE pilimerase É Primase : DNA polymerase ai ENA | —eeeee> [E - o É] FE | ; E ; : ra Proteína dímera da E.coli sliding- clamp junção primer + template Proteínas acessórias da Polimerase: aumentam a sua atividade e estabilizam a ligação ao DNA “template” Sliding-clamp protein proteína β (E. coli) PCNA (eucariotos) e Brace protein complexo γ (E. coli) fator de replicação C ou RFC (eucariotos) Forquilha de replicação em procariotos A estrutura detalhada ainda não é totalmente conhecida em eucariotos Replication factor A (RFA) nos eucariotos Leading strand (continuous replication)) meme À Lagging strand (Okazaki fragments) <a ED, ORNE aaR! o Na! SEN Tm À Template DNA dd Forquilha de replicação dos eucariotos (RFA) Brace protein (RFC) PCNA À medida que as fitas de DNA se desenrolam, o DNA a frente da forquilha é forçado a enroscar, eventualmente bloqueando a replicação TOPOISOMERASES - catalisam a quebra e a re-ligação das fitas de DNA Fidelidade da Replicação Se a polimerase não pudesse corrigir erros haveria a inserção de 1 base errada a cada 104 nucleotídeos incorporados. A acurácia da replicação do DNA é crítica para a reprodução celular.