Biologia Celular para Nanociências e Nanotecnologia
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Rafael Valverde [email protected] Lab. Físico-Quimica Biológica G-37 Biologia Celular para Nanociências e Nanotecnologia IBCCFº UFRJ Fevereiro 2014
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Rafael Valverde [email protected]
Lab. Físico-Quimica Biológica G-37
Biologia Celular para Nanociências e Nanotecnologia IBCCFº UFRJ
Fevereiro 2014
Água
Ions (Na, K, Mg, Ca, Cl, etc.)
Proteínas
RNA
DNA
Fosfolipídeos
Outros Lipídeos
Polissacarídeos
70%
1%
15%
6%
1%
2%
---
2%
70%
1%
18%
1,1%
0,25%
3%
2%
2%
Volume Relativo da Célula 1 2000
Procariotos Eucariotos
Substâncias que participam da Organização Molecular e Estrutural das Células
RNA
DNA
Figure 2-17 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
As quatros Principais Famílias de Moléculas Orgânicas nas Células
unidades monoméricas básicas da maioria das macromoléculas celulares
açúcares e ácidos graxos servem como fontes
de energia
Figure 2-27 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Nucleotídeos: Carreadores de Energia Química
nucleotídeo: base nitrogenada ligada a um açúcar fosfatado
com uma ribose: ribonucleotídeo
podem carrear energia química!!
Figure 2-65 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Síntese de Polímeros
Requer Energia
DNA, RNA e proteínas requerem energia da quebra de nucleotídeos (ATP) para serem
formados
Figure 2-67 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
a síntese de DNA e RNA é possibilitada pela quebra
de ATP
nucleotídeo é ativado por ATP e é adicionado a cadeia crescente de RNA ou DNA
Figure 2-28 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Pequena Parte de uma Cadeia de Ácido Desoxiribonucleico (DNA)
sequência polinucleotídica é sempre lida no sentido 5’ 3’
nucleotídeos são unidos por ligações fosfodiéster entre
carbonos específicos das riboses ou desoxirriboses
extremidade 5’ sempre terá um fosfato livre e outra 3’ sempre
terá uma hidroxila
Figure 4-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Os Cromossomos em uma Célula
novas técnicas bioquímicas: DNA composto de acido
desoxirribonucleico e proteínas!
Século XIX: microscopia ótica dos cromossomos no momento da
divisão
DNA seria uma molécula meramente estrutural?
Figure 4-2 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
DNA: Molécula Carreadora de Informação
molécula carreadora da informação de
patogenicidade: DNA
transformação: tornava uma cepa
não patogênica em patogênica!!
A Resolução da Estrutura do DNA (1953)
como as proteínas seriam codificadas pelo DNA?
como ocorreria a propagação
desta informação?
Modelo de Watson e Crick: insight de como seria
replicada a informação genética!
Figure 4-3 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
duas longas cadeias (fitas) polinucleotídicas com quatro tipos de
bases nitrogenadas
polaridade química extremidade 5’: fosfato
extremidade 3’: hidroxila
fitas antiparalelas conectadas por pontes de hidrogênio entre as bases
Figure 4-4 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
A Regra de Chargaff
purinas (G e A) pareiam com
pirimidinas (C e T)
Pareamento das bases por pontes de hidrogênio no interior e esqueleto de açúcar externo
Figure 4-5 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
arranjo onde pares de base tem tamanho
equivalente
dupla hélice: uma volta a cada dez pares de base
fitas são antiparalelas e as sequencias nucleotícas
são complementares
Figure 4-6 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
como a informação que especifica um organismo é carreada quimicamente, como essa informação é copiada?
alfabeto de quatro letras
“palavras” diferentes (mensagens biológicas!)
Figure 4-7 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
O Genoma
genoma contem informação para sintese de todos os RNAs e proteinas
“2 metros” de DNA dupla
hélice!
Figure 4-8 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
O DNA como Molde para sua Replicação
cada fita atua como molde para síntese da fita complementar a ela
Figure 4-13 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
O arranjo dos Genes no Genoma de S.cerevisiae
correlação entre a quantidade de genes e complexidade do organismo
humanos: 25000 vs bactérias: 500
alguns genes tem como produto final apenas
RNA
grande quantidade de “junk DNA” não codificante
(importância regulatória)
Figure 4-15 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
A Sequência Nucleotídica do Genoma Mostra como os Genes são Organizados
cromossoma 22 é um dos menores do
genoma humano
em vermelho: trecho codificante
Table 4-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
A Sequência Nucleotídica do Genoma Mostra como os Genes
são Organizados
baixo percentual de DNA codificante!!
tamanho médio dos genes é grande comparado ao
tamanho de uma proteina média
Introns e exons!!
Muito pouco!
A Compactação do DNA
como compactar um genoma de 46 cromossomos (2 m) em 6 µm de
diâmetro do núcleo?
associação com proteínas: dobram e retorcem o DNA
condensação e descondensação
localizada e dinâmica! (replicação, reparo, expressão gênica, etc)
cromossoma 22: compactação de 10000x (1,5 µM)
Figure 4-22 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Nucleossomas ao Microscópio compactação graças a duas classes
de proteinas: histonas e não-histonas
cromatina: complexo DNA-proteinas
massa do DNA = massa de
histonas
30 nM
nucleossomas: primeiro nível de empacotamento cromossômico
cromatina na interfase
Figure 4-23 (part 1 of 2) Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
A Organização Estrutural dos Nucleossomas
organização dos nucleossomas foi determinada utilizando nucleases
nucleossomas: core particle com 147 pares de nucleotídeos envolvendo 8
histonas +
linker DNA
Figure 4-23 (part 2 of 2) Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
A Organização Estrutural dos Nucleossomas
nucleossoma é empacotado por um octâmero de histonas:
2 H2A, 2 H2B, 2 H3, 2 H4
além de um comprimento de DNA fita dupla contendo 147 pares de bases + DNA
linker
Figure 4-25 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
A Organização Estrutural das Histonas
motivos conservados: motivo de enovelamento das histonas
e cauda N-terminal
caudas são sujeitas a modificações pós-traducionais (mudanças
estruturais e funcionais)
Figure 4-26 (part 1 of 2) Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
A Montagem de um Octâmero de Histonas no DNA
interação entre os domínios de
enovelamento das histonas
H3 e H4
H2A e H2B
Figure 4-26 (part 2 of 2) Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
A Montagem de um Octâmero de
Histonas no DNA
Tetrâmero formado por H3 e H4 se combina a dois dímeros de H2A e H2B gerando o
actâmero
DNA envolve o complexo
Figure 4-27 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
O DNA é Moldado em um Nucleossoma
são formadas 142 pontes de hidrogenio entre o core de histonas e
o DNA
argininas e lisinas das histonas neutralizam DNA negativamente
carregado
ligação AT é preferível no contato com o core de histonas
(maleabilidade)
Figure 4-28 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Nucleassomas tem Estrutura Dinâmica
nucleossomas são estruturas dinâmicas!!
permitem acessso
quando nescessário
in vitro: nucleossomas passam por período transiente de abertura
Figure 4-29 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
O Complexo de Remodelamento da Cromatina
cataliza o afrouxamento da interação DNA-core de
histonas!
permite a interação do DNA do nucleossoma com outras
proteínas!
in vivo, o acesso a cromatina é controlado por proteínas: complexo de
remodelamento da cromatina
Figure 4-30 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
A Remoção do Nucleossoma e Troca de Histonas Catalizada pelo Complexo de Remodelamento da Cromatina
complexo de remodelamento pode trocar ou modificar as histonas do
nucleossoma, montando-o ou desfazendo-o por completo
Figure 4-31 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Nucleossomas são Arranjados em uma Fibra Compacta
nucleossomas se arranjam uns sobre os outros (fibra de 30 nm)
modelo em “zigzag” (cristalografia
de raios x)
Figure 4-33a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Empilhamento dos Nucleossomas
empilhamento devido a interação entre as caudas das
histonas (sobretudo H4)
caudas flexíveis
Figure 4-34 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Histona de Ligação (linker) presença de uma histona de ligação (histona
H1): importante no empilhamento
presente em uma proporção de 1 : 1 com nucleossomas
muda a trajetória do DNA na saída do
nucleossoma
Figure 4-35 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Herança Genética vs. Herança Epigenética (Baseada na estrutura da Cromatina )
diferentes regiões do genoma se organizam diferentemente
essencial na manutenção dos
organismos eucarióticos superiores
herança epigenética tem base proteica:
como acontece?
Eucromatina e Heterocromatina
Eucroamatina
região menos condensada
maioria dos genes
transcricionalmente ativos
Heterocromatina
extremamente compacta
concentrada em determiandas regiões do cromossoma (>10% do
genoma)
resistentes a expressão gênica
genes eucromaticos que
passam à heterocromatina são silenciados
efeito de posição (regulação
da expressão gênica)
Figure 4-36 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Efeito de Posição (variegação)
Sequencia barreira separando os dois tipos de cromatina
Translocação com perda da barreira!!
o padrão de espalhamento (variegação) da heterocromatina resulta da inativação de um gene por proximidade a uma região de
heterocromatina (pode ser herdado)
Figure 4-37 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
A Descoberta dos Efeitos de Posição
efeito de posição em algumas células do olho de drosophila
silenciamento do gene white
leva a aparição de manchas no olho de drosophila
Figure 4-38 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Tipos Predominantes de Modificação das Histonas Nucleossomais
histonas sofrem modificações pós-traducionais
modificações diferentes = efeitos biológicos diferentes
metilação impede acetilação e vice-versa
Figure 4-39a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
As Modificações Covalentes nas Histonas Nucleossomais
modificações ocorrem prevalentemente nas caudas
N-terminais das histonas
Figure 4-39b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
A Modificação Covalente das Histonas
modificações são reversíveis
acetilação de lisinas é catalisada pelas histonas acetil transferases (FIATs)
e removidas por histonas
desacetilases (HDACs)
modificações são circunstanciais, recrutadas por proteínas regulatórias
gênicas
metilação de lisinas é catalisada pelas histonas metil transferases
e removidas por histona
demetilases
Figure 4-40 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Mapa Estrutural das Modificações Covalentes
modificações podem persistir durante intervalos
prolongados
acetilação afrouxa a cromatina (carga positiva das
lisinas é anulada!)
atração de proteinas reguladoras da expressão
gênica (quais genes, quando e com qual função!)
Figure 4-41 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Variantes de Histonas Mudam a Expressão
histonas variantes são montadas nos nucleossomas via complexos de remodelamento da cromatina
Essa montagem obedece a demanada celular por um
processo específico
Figure 4-42 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
O Código das Histonas grande número de possíveis
combinações de modificações em cada nucleossoma
variação maior se consideramos
as variantes de histona
combinações diferentes = mensagens diferentes
replicação recente, nescessidade de reparo, nescessidade de
expressão gênica e etc.
lisina 4 de H3 trimetilada é
reconhecida por módulos proteicos
Figure 4-43 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
O Complexo de Leitura do Código
módulos proteicos atuam em conjunto: complexo de leitura do código
combinações diferentes de modificações atraem complexos de leitura diferentes
cada complexo recruta proteínas
regulatórias diferentes
Figure 4-44b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
O Código das Histonas (Histona H3)
alguns poucos e bem entendidos exemplos na informação que pode ser
codificada pela histona H3
Figure 4-45 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
O Complexo Proteico de Modificação/Leitura
O que acarretaria o efeito de variegação: propagação do
código das histonas!
Efeito em cadeia mediado por complexos de leitura e modificação de histonas
Figure 4-46a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
A Proteína de Remodelagem da
Cromatina atua em Conjunto
A propagação do código requer multiplas proteinas de leitura e
modificação além do complexo de remodelagem da cromatina
(condensação e descondensação)
Figure 4-47 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
As Sequências Barreira
o que previne a interferência entre dominios vizinhos de estrutura e função diferentes na cromatina?
sequências de DNA específicas (sequencias barreira)
bloqueiam o avanço do complexo de modificação/leitura (separação de
domínios da cromatina!!)
Ancoramento a um ponto fixo
proteína bloqueadora do complexo de leitura
recrutamento de proteínas de
modificação diferentes (apagam marcação)
Figure 4-52 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
O Empacotamento do DNA na Cromatina pode ser Herdado Durante a Replicação Cromossômica
modulação do empacotamento do DNA:
essencial para a complexidade dos organismos
padrão de organização da cromatina é mantido após a
duplicação
heterocromatina constitutivamente condensada
contém a proteina HPI
enquanto heterocromatina com genes do desenvolvimento
contém polycomb (empacotam 2% do DNA)
Figure 4-51 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Figure 4-53 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
A Memória Celular (Informação Epigenética)
Memória é armazenada sob a forma de informação
epigenética na cromatina dos genes de eucariotos
não se conhecem ainda todos os tipos de estrutura
de empacotamento existentes
Algumas estruturas podem ter um tempo de existência
curto, não sendo propagados
