Fundamentos da Biologia Molecular: DNA, RNA, Replicação e Mutações

Estrutura e Componentes do DNA

Bases Nitrogenadas

• Purinas: Adenina (A) e Guanina (G) (possuem 2 anéis aromáticos).
• Pirimidinas: Citosina (C), Timina (T) e Uracila (U) (possuem apenas 1 anel aromático).

Características da Molécula de DNA

• Longa, fina, com duas fitas paralelas e estrutura helicoidal (dupla hélice).
• Face interna: Bases nitrogenadas.
• Face externa: Fosfato e pentose (desoxirribose).

Compactação do DNA: Formação do Cromossomo

O Cromossomo representa o DNA altamente compactado.

1. 1º Nível: Nucleossomos

   • O DNA é enrolado em proteínas histonas.
   • Estrutura de "colar de contas": cada conta é um nucleossomo.
   • Um nucleossomo empacota 147 nucleotídeos.
   • Reduz o DNA a um terço do seu tamanho original.

2. 2º Nível: Solenoides (Fibra de Cromatina)

   • Um solenoide é formado por 6 nucleossomos.
   • A fibra de cromatina é capaz de compactar um cromossomo humano a 0,1 cm.

3. 3º Nível: Arcabouço (Scaffold)

   • Mediado por proteínas cromossômicas não histônicas.
   • Cada alça pode abrigar de 50 a 200 mil pares de base.

Replicação do DNA

A Replicação do DNA é o processo de duplicação de uma molécula de DNA de dupla hélice, essencial antes da divisão celular.

Modelos de Replicação

• Modelo Semiconservativo: As duas fitas de DNA se separam, e cada uma serve de molde para a síntese de uma nova fita complementar. O resultado são duas moléculas de DNA, cada uma com uma fita original e uma fita nova.
• Modelo Conservativo: A replicação resulta em uma molécula formada por duas fitas originais de DNA (idênticas à molécula original) e outra molécula formada por duas novas fitas.
• Modelo Dispersivo: A replicação resulta em duas moléculas de DNA híbridas, onde cada fita individual é uma mistura (colcha de retalhos) de DNA parental e DNA recém-sintetizado.

Ligações Químicas no DNA

• Ligação Fosfodiéster: Vínculo entre o átomo de carbono 3’ e o carbono 5’ do açúcar desoxirribose.
• Ligação de Hidrogênio: Ligação que se forma entre as bases nitrogenadas complementares de duas cadeias de nucleotídeos do DNA.

Correção de Erros e Enzimas Iniciais

Em caso de erros na síntese do DNA, as polimerases do DNA realizam a correção através da atividade exonucleolítica, realizando uma nova síntese inversa ao sentido de crescimento da cadeia (sentido 3’ → 5’).

A enzima Helicase liga-se à cadeia de DNA e desliza sobre ela, quebrando as ligações de hidrogênio entre as duas fitas. Enquanto a helicase abre a molécula, a polimerase adiciona nucleotídeos que se pareiam por complementaridade com a fita molde.

Etapas da Replicação em Procariotos

1. Reconhecimento da Origem de Replicação (oriC) e Formação da Forquilha:
   • DNA A: Reconhece a oriC.
   • DNA B (Helicase): Promove a abertura das fitas.
   • Proteínas SSB (Single-Strand Binding): Ligam-se ao DNA unifilamentar, mantendo a forquilha aberta.
2. Síntese do Iniciador (Primer):
   • Primase: Sintetiza o primer de RNA.
3. Síntese da Nova Fita:
   • DNA Polimerase III: Sintetiza as novas fitas de DNA.

Enzimas Chave na Replicação do DNA

• Helicase: Abre a dupla hélice e promove o avanço da forquilha de replicação.
• DNA Girase (Topoisomerase): Evita a superelicoidização (torção excessiva) ao executar cortes e religar o DNA à frente da forquilha.
• Primase: Adiciona temporariamente um pequeno trecho (primer) de RNA para o início da replicação.
• DNA Polimerase III: Alonga o novo filamento de DNA (a partir do primer), adicionando nucleotídeos à extremidade 3’.
• DNA Polimerase I: Remove os primers de RNA e preenche os espaços restantes com DNA.
• DNA Ligase: Une os trechos de DNA, incluindo os Fragmentos de Okazaki.

Fragmentos de Okazaki

São fragmentos relativamente pequenos de DNA (com um primer de RNA no término 5') criados na cadeia atrasada (lagging strand) durante a replicação do DNA.

Transcrição e Tipos de RNA

A Transcrição é o processo celular de síntese de RNA a partir de um molde de DNA. O DNA armazena a informação, o RNA a transfere e a proteína executa a função.

Diferenças Fundamentais entre DNA e RNA

1. O RNA utiliza o açúcar Ribose, enquanto o DNA utiliza a Desoxirribose.
2. O RNA utiliza a base Uracila (U) no lugar da Timina (T).
3. O DNA possui cadeia dupla; o RNA possui cadeia simples.
4. As RNA Polimerases não necessitam de iniciadores (primers).
5. O DNA está sempre no núcleo celular (em eucariotos), enquanto o RNA pode ser encontrado dentro e fora do núcleo.

Tipos de RNA

• RNA Mensageiro (mRNA): Codifica todas as proteínas celulares.
• RNA Ribossomal (rRNA): Guia a montagem das proteínas no citoplasma (componente dos ribossomos).
• RNA Transportador (tRNA): Carrega aminoácidos (AA) para a síntese proteica.
• RNA Nucleares Pequenos (snRNA): Participam do processo de splicing.

Processamento do RNA: Splicing

O Splicing é o processo que remove os íntrons (regiões não codificantes) e junta os éxons (regiões codificantes) após a transcrição do RNA. O splicing ocorre apenas em células eucarióticas, pois o DNA procariótico não possui íntrons.

A estrutura fundamental para clivar essas ligações é o Spliceossomo, um complexo enzimático formado por mais de 200 proteínas e cinco moléculas de snRNA, que reconhece os sítios de clivagem e promove a quebra e rearranjo do mRNA.

Definições Chave na Transcrição

• RNA Polimerase: Enzima responsável pela síntese de RNA.
• Holoenzima: Enzima conjugada, formada por uma porção proteica (apoenzima) e uma porção não proteica (coenzima).
• Promotores: Sequências de DNA específicas importantes para o início da transcrição. São reconhecidas por Fatores de Transcrição, que recrutam a RNA Polimerase.

Etapas da Transcrição (Procariotos)

1. Iniciação:
   • A região promotora -10 é o sítio de desenrolamento do DNA.
   • A região -35 é a região de reconhecimento da Holoenzima.
   • A Holoenzima muda de conformação para aliviar a tensão estrutural causada pela dissociação da dupla fita de DNA.
2. Alongamento:
   • Síntese dos primeiros 10 nucleotídeos dentro da bolha de transcrição.
   • A dissociação do Fator Sigma é necessária para a síntese eficiente de RNA.
   • A síntese ocorre sempre no sentido 5’ → 3’, utilizando a energia da quebra do trifosfato de NTPs.
   • A bolha de transcrição é unidirecional, ao contrário da forquilha de replicação.
3. Término:

   O final da transcrição é determinado pelo surgimento dos códons de parada. Dois mecanismos conhecidos:

   • Término Intrínseco (Independente de Rho): Não requer gasto de energia. A RNA Polimerase atinge uma região rica em C e G, seguida por Uracilas, formando um grampo estável que desacelera a RNA Polimerase e dissocia o complexo.
   • Término Rho-Dependente: O Fator Rho (proteína) se liga ao RNA e se move em direção à RNA Polimerase. Ao alcançá-la na bolha de transcrição, o Rho separa o transcrito de RNA do molde de DNA.

Comparação: Transcrição em Eucariotos vs. Procariotos

Ribossomos e Sítios de Tradução

Os ribossomos são as estruturas responsáveis pela síntese proteica (tradução).

• Sítio A (Aceptor): Sítio de entrada do aminoacil-tRNA (tRNA carregado com o próximo aminoácido).
• Sítio P (Peptidil): Sítio onde se encontra o tRNA ligado à cadeia de polipeptídeos em crescimento.
• Sítio E (Saída/Exit): Sítio onde o tRNA descarregado é liberado do ribossomo.

Mutações Genéticas

As variações genéticas ocorrem devido à recombinação e à mutação. A Mutação é definida como qualquer dano ou alteração na cadeia de DNA, seja uma modificação química ou uma desorganização cromossômica.

Classificação das Mutações

Por Tipo Celular (Eucariontes)

• Hereditária: Ocorre em células germinativas e é transmitida à prole.
• Somática (ou Adquirida): Ocorre em células somáticas e pode ser passada para as próximas gerações de células-filhas (mas não para a prole).

Por Origem

• Espontânea: Ocorre naturalmente em todas as células, surgindo de fontes como:
  1. Erros na replicação do DNA.
  2. Tautomeria.
  3. Lesões espontâneas.
  4. Radicais Livres.
• Induzida: Ocorre quando o organismo é exposto a um Agente Mutagênico (Mutágeno), que pode ser:
  1. Físico (ex: radiação).
  2. Químico (ex: agentes alquilantes, oxidantes, intercalantes).
  3. Biológico (ex: integração de retrovírus).

Mutações Pontuais e seus Efeitos

As Mutações Pontuais resultam da alteração de apenas um par de bases ou de um pequeno número de pares adjacentes de bases. Elas são classificadas em:

• Substituição (Troca de uma base por outra):
  • Transição: Troca de um nucleotídeo por outro da mesma classe (Purina por Purina, ou Pirimidina por Pirimidina).
  • Transversão: Troca de um nucleotídeo por outro de classe diferente (Purina por Pirimidina, ou vice-versa).
• Inserção: Pares de bases extras são inseridos no DNA.
• Deleção: Um trecho ou par de bases do DNA é perdido ou deletado.

Efeitos das Mutações Pontuais na Proteína

• Mutação com Sentido Trocado (Missense): A substituição de um único nucleotídeo altera o códon, resultando na substituição de um aminoácido por outro no produto gênico.
• Mutação Silenciosa (Silent): A alteração no códon não resulta em uma mudança na sequência de aminoácidos da proteína, pois o novo códon codifica o mesmo aminoácido.
• Mutação Sem Sentido (Nonsense): Uma mutação que resulta em um códon de parada (stop codon) prematuro, encurtando drasticamente a proteína.

Mecanismos de Mutações Espontâneas

• Tautomerismo: Modificação química transitória das bases nitrogenadas que altera suas propriedades de pareamento.
• Lesões Espontâneas: Danos naturais na estrutura química do nucleotídeo.
  • Depurinação: Interrupção da ligação entre a base nitrogenada (A ou G) e a desoxirribose (10.000 lesões/dia/célula).
  • Desaminação: Perda do grupamento amino. A desaminação de uma Citosina gera Uracila (100 lesões/dia/célula).

Agentes de Mutações Induzidas (Radiações)

• Radiações Não Ionizantes: Radiação eletromagnética que não carrega energia suficiente para ionizar átomos ou moléculas (ex: Infravermelho, Micro-ondas, UV).
• Radiações Ionizantes: Energia radioativa composta de partículas com energia suficiente para liberar elétrons de átomos e moléculas (ionização).
  • Raios Alfa (bloqueados por papel).
  • Raios Beta (bloqueados por papel e mão).
  • Raios Gama (requerem materiais densos como aço).

Sistema de Reparo do DNA

A estrutura em dupla-hélice do DNA é ideal para o sistema de reparo, pois possui duas cópias separadas de toda a informação genética (uma em cada fita).

Quando uma fita é danificada, a fita complementar possui uma cópia intacta da mesma informação, sendo utilizada como molde para restaurar a sequência correta da fita danificada.