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Mutação e Reparação do DNA Aspectos Conceituais e Rotas Metabólicas Prof. Antonio Márcio Teodoro Cordeiro Silva, M.Sc. Mutação e Reparação do DNA Aspectos Conceituais e Rotas Metabólicas Prof. Henrique Santana Costa, M.Sc.

Aspectos Conceituais Mutação e e Rotas Metabólicas ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/10102... · evolução) Sem a mutação ... bases mal pareadas

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Mutação e Reparação

do DNA Aspectos Conceituais e

Rotas Metabólicas

Prof. Antonio Márcio Teodoro Cordeiro Silva, M.Sc.

Mutação e Reparação

do DNA Aspectos Conceituais e Rotas Metabólicas

Prof. Henrique Santana Costa, M.Sc.

Mutação

Mutações → modificação súbita e hereditária no conjunto gênico de um organismo

não explicável pela recombinação da variabilidade genética pré-existente.

Mutante → organismo possuidor de uma forma alterada como resultado da presença

de uma mutação.

# Tipos

aneuploidias → mudanças no número cromossômico.

aberrações cromossômicas → mudanças grosseiras na estrutura dos

cromossomos.

mudanças dos genes individuais.

1. Atualmente, o termo mutação tem sido utilizado quando da presença de

alterações detectadas em nível de genes individuais.

Mutação

Mutação

# Geralmente, organismos portadores de uma mutação num determinado gene

apresentam problemas em sua sobrevivência (sendo, assim, eliminados por

seleção natural).

# Contudo, nem toda mutação resulta numa conseqüências deletéria para seu

portador.

# mutação → fonte básica de toda variabilidade genética (matéria-prima para a

evolução)

Sem a mutação, todos genes existiriam apenas em uma forma.

mutações espontâneas → resultam de funções celulares normais ou interações

aleatórias com o ambiente.

→ podem ser aumentadas pelo tratamento com determinados compostos (agentes

mutagênicos – mutações induzidas)

→ atuam diretamente no DNA.

Mutação

Síntese de Proteína

Mutação pode alterar a

síntese protéica

Mutações

Classificação Geral

Mutação Cromossômica: Número ou Estrutura

Mutações Gênicas: Genes individuais

A mutação é a fonte básica de toda variabilidade genética, fornecendo

a matéria-prima para a evolução

Mutação: Bom ou Ruim?

Processo Evolutivo

1. Recombinação: Rearranjos Novas combinações

2. Seleção Natural Preserva as combinações mais adaptadas

3. Ausência de Mutação Genes com apenas uma forma

Mutação como fonte de variabilidade

1 2 3

Classificação das Mutações

1. Mutação espontânea

2. Mutação induzida

Mutagênese x Clastogênese x Teratogênese x Carcinogênese

Quanto à Natureza

Mutações Cromossômicas

Conjunto de cromossomo de uma espécie

1. Monoploidia: n cromossomos

2. Diploidia: 2n cromossomos

3. Triploidia: 3n cromossomos

4. Poliploidia: mais de dois conjuntos

Euploidia

Número de cromossomos difere da espécie

1. Monossomia: 2n – 1

2. Trissomia: 2n + 1

3. Nulissomia: 2n – 2

Aneuploidia

Mutação

# Mutação de ponto → modificação num único par de base (substituição, adição ou

deleção)

mau funcionamento do sistema replicativo

mau funcionamento do sistema de reparo

interferência química direta sobre uma das bases do DNA

# Mutação letal condicional → letal num determinado ambiente (condições

restritivas)

Classes

Mutantes auxotróficos → incapazes de sintetizar um metabólito essencial

(aminoácido, purina, pirimidina, etc.)

→ crescem e se reproduzem quando o metabólito é fornecido pelo meio (condição

permissiva)

→ não crescem quando o metabólito está ausente (condição restritiva)

Mutação

mutantes sensíveis à temperatura → crescerão numa determinada temperatura

→ aumento da labilidade ao calor ou ao frio do produto gênico mutado.

mutantes sensíveis ao supressor → viáveis quando um segundo fator genético

(supressor) está presente - mas inviáveis na ausência deste.

# Mutações transmitidas à descendência → células germinativas

# Mutações perpetuadas em células que descenderam da célula original na qual a

mutação ocorreu (podendo não afetar o organismo inteiro) → células somáticas

Rearranjos Cromossômicos

1. Inversões: Paracêntricas ou Pericêntricas

Rearranjos Cromossômicos

2. Deleção: Terminal ou Intersticial

Rearranjos Cromossômicos

3. Translocação: Recíproca ou Robertisoniana

Rearranjos Cromossômicos

4. Duplicação x Replicação

Mutantes em nível molecular

modificações tautoméricas → flutuações químicas decorrentes de mudanças

nas posições dos átomos (purinas, pirimidinas, grupamento amino, anel

nitrogenado, etc.)

→ alteram o pareamento de bases normal.

# Envolvem a substituição de um par de bases por outro → tipo mais comum de

mutação

# Transição → substituição de uma purina por outra purina, ou de uma pirimidina

por outra pirimidina.

# Transversão → substituição de uma purina por uma pirimidina ou vice-versa.

mutações que modificam a estrutura da leitura → envolve a adição ou deleção

de um ou alguns pares de bases.

→ alteram a estrutura de leitura de todas as trincas de pares de bases no gene depois

da mutação.

Mutação Molecular

Modificações Tautoméricas

Mutação em Nível Molecular

A – T T – A

C – G G – C

A – T T – A

C – G G – C

Transição Transversão

Taxas de Mutações

procariotos → 10-5 a 10-6 evento/locus/geração (mutação espontânea)

eucariotos → estimativa semelhante à encontrada nos procariotos.

# mutações silenciosas → sem efeito aparente

# Hotspots → sítios de pares de bases mais

susceptíveis à mutação.

• Envolvem a troca de bases do DNA mas não

causam a troca do aminoácido presente na

proteína correspondente.

• Levam à troca do aminoácido, mas a

substituição não afeta a atividade da proteína

(mutações neutras).

Mutação em Nível Molecular

Mutação em Nível Molecular

Alteração do Quadro de Leitura (Frameshift)

Mutação em Nível Molecular

Deleção

Mutação em Nível Molecular

Inserção

Mutação em Nível Molecular

Sentido Trocado (Missense)

Mutação em Nível Molecular

Sem Sentido (Nonsense)

Mutação em Nível Molecular

Expansão de Repetição

Radiação

→ porção do espectro eletromagnético que contém comprimentos de onda menores e de maior

energia que a luz visível (0,1µm).

Tipos

ionizante → raios X, raios gama e raios cósmicos (úteis no diagnóstico médico pelo fato de

poderem penetrar nos tecidos vivos).

não-ionizante → luz ultravioleta.

• No processo de penetração, a radiação ionizante

colide com átomos da matéria causando a liberação

de elétrons (formando radicais livres positivamente

carregados – íons).

• Quimicamente mais reativos quando comparados à

átomos em seu estado estável normal.

# a reatividade aumentada dos átomos presentes

nas moléculas de DNA é a base dos efeitos

mutagênicos da luz ultravioleta e da radiação

ionizante.

Mutação por Radiação

Radiação ionizante → não envolve uma extensão de tempo.

# a mesma dosagem de irradiação pode ser obtida por um longo período de tempo, ou

uma alta intensidade num curto período.

# mutações de ponto → diretamente proporcionais à dose de irradiação.

# Teoria da cinética de colisão única → toda ionização tem uma probabilidade de

induzir uma mutação.

Mutação por Radiação

Radiação não ionizante H2O H + OH

Radiação ionizante Efeito direto

Efeito indireto

Aberrações Estruturais

Cariótipo - Metáfase

Mutação por Radiação

Radiação não-ionizante (luz ultravioleta) → não possui energia suficiente para induzir

ionizações.

# são absorvidos por purinas e pirimidinas (tornando-se mais reativas).

○ multicelulares → atingem apenas camadas de células superficiais.

○ unicelulares → potente agente mutagênico

Formação de hidratos de pirimidina e dímeros de pirimidinas.

# a relação entre a taxa de mutação e a dose de UV é muito variável, dependendo do tipo de

mutação do organismo e das condições empregadas.

Mutação por Radiação

Mecanismos de reparo do DNA

• Um mutante sobrevive quando sua troca genética não é prejudicial ou, mais raramente, é

benéfica.

• A maioria das mutações, contudo, são desvantajosas – impedindo a sobrevida celular.

• mecanismos de reparo → revertem os efeitos de processos mutagênicos artificiais ou naturais

sob o DNA.

→ muitos dos danos sofridos pelo DNA podem ser reparados porque a informação genética é

preservada em ambas as fitas da dupla-hélice.

→ a informação perdida em uma fita pode ser recuperada através da fita complementar

APLICAÇÕES PRÁTICAS DAS MUTAÇÕES

• Apesar da maioria das mutações tornarem o organismo menos adaptado e serem, portanto,

desvantajosas, há a possibilidade das mesmas desenvolverem novas características desejáveis.

• Mutantes induzidos de cevada, trigo, aveia, soja, tomate – podem melhorar as linhagens

cultivadas.

• resistência à ferrugem, maior produção, maior quantidade de proteína, sementes sem

casca, ente outro.

→ elucidam as vias pelas quais os processos biológicos ocorrem (isolamento e estudo das

mutações nos genes que codificam enzimas envolvidas nas mais diversas atividades metabólicas)

→ dissecção de processos biológicos

Reparação do DNA

Tipos de Reparação do DNA

1. Reparação por fotorreatividade enzimática

2. Reparação de bases alteradas

3. Reparação por excisão de base

4. Reparação por excisão de nucleotídeos

5. Reparação de bases malpareadas

6. Sistema de reparação por resgate

Reparação por Fotorreatividade Enzimática

# dímeros de pirimidina → impedem a replicação e a expressão gênica

• Fotoliase → catalisa uma 2ª reação fotoquímica, na presença de luz visível, desfazendo a

mutação e refazendo as bases pirimídicas individuais.

ETAPAS

1ª → reconhecimento da enzima ao dímero na ausência de luz.

2ª → após a absorção de luz, energia é fornecida para a conversão do dímero em monômeros

de pirimidina.

3ª → dissociação da enzima do DNA.

Reparação do DNA

Reparação do DNA

Reparação por Fotorreatividade Enzimática

Fotorreativação

1. Fotoliase reconhece e se liga ao dímero

2. Absorção de luz Conversão em monômeros

Reparação do DNA

Reparação de Bases Alquiladas

Ação de enzimas específicas: O6-Metilguanina-metiltransferase

CH3-Cys-Enzima

• Não há meios de recuperar a enzima metilada (necessidade de novas enzimas para cada

grupamento metil removido).

Reparo por excisão

# A remoção de uma base defeituosa (ou não habitual) pode ocorrer a partir da:

• clivagem da ligação base-açúcar (excisão de base)

• incisão endonucleolítica nos dois lados da lesão

• liberação de nucleotídeos

• preenchimento da região pela ação da DNA-polimerase I e posterior ligação

Reparação do DNA

Reparação por excisão de base

# A citosina do DNA é desaminada espontaneamente sendo, portanto, percebida pela uracil.

• evento mutagênico potencial

→ formação de filamento apresentando pares de bases errôneos (AU no lugar de GC)

■ Etapas de reparo

1. Hidrólise da ligação glicosídica entre uracil e a molécula de desoxirribose pela enzima

uracil-DNA-glicosilase

2. Liberação da base nitrogenada errônea (formação do sítio AP)

3. Excisão da cadeia em regiões adjacentes à base perdida pela enzima AP endonuclease

Reparação do DNA

Reparação por excisão de base

■ Etapas de reparo

1. Hidrólise da ligação glicosídica entre uracil e as moléculas de desoxirribose pela enzima

uracil-DNA-glicosilase

2. Liberação da base nitrogenada errônea (formação do sítio AP)

3. Excisão da cadeia em regiões adjacentes à base perdida pela enzima AP endonuclease

4. Inserção de citosina no local mutado pela enzima DNA-polimerase I

5. Ligação da fita corrigida pela enzima DNA-ligase

Reparação do DNA

Reparação do DNA

Reparação do DNA

Reparação por Excisão de Base

Reparo por excisão de nucleotídeos

■ Um dos mais importantes e gerais mecanismos de reparo (REN)

ETAPAS

1. Reconhecimento da lesão

2. Incisão da fita lesada em ambos os lados da lesão e a alguma distância desta

3. Excisão do segmento (oligonucleotídeo) contendo a lesão

4. Síntese de um novo segmento de DNA utilizando a fita não-danificada como molde

5. Ligação

# reação, a princípio, livre de erro

Reparação do DNA

Reparação do DNA

Reparação por Excisão de Nucleotídeo (REN)

1. Reconhecimento da lesão

2. Incisão da fita lesada em ambos os lados da lesão

3. Excisão do seguimento contendo a lesão

4. Síntese do novo seguimento de DNA e Ligação

Reparação do DNA

REN: Sistema Uvr (E. coli)

ATP

Helicase 5’ 3’

5’ (8nt)

3’ (4 a 5nt)

Excisão de 12 a 13nt

UvrD

• Algumas bases incorretamente pareadas escapam da correção realizada pela DNA-

polimerase

# Remoção de bases mal pareadas → Qual das fitas contém o erro? Qual das bases é a

errada?

■ Um dos mais importantes e gerais mecanismos de reparo (REN) → enzima de correção de

erro

ETAPAS

1. Reconhecimento da lesão

2. Incisão da fita lesada em ambos os lados da lesão e a alguma distância desta

3. Excisão do segmento (oligonucleotídeo) contendo a lesão

4. Síntese de um novo segmento de DNA utilizando a fita não-danificada como molde

5. Ligação

# sinal que direciona o sistema de excisão do erro exclusivamente para a fita recém-sintetizada

→ seqüências GATC próximas ao erro

Enzimas de correção de erro

Reparação do DNA

Sinalização por metilação

de sítios específicos

Reparação do DNA

1. Enzima de correção de erro liga-se à

seqüência GATC não modificada e ao par de

bases mal pareadas da mesma fita de DNA.

2. Enzima de correção de erro remove o

segmento de DNA que inclui o erro da fita

que contém a seqüência GATC não metilada.

3. DNA-polimerase preenche a fenda,

substituindo a base mal pareada pela

correta.

# Modificações na adenina da seqüência GATC por metilases farão com que a enzima de

correção não mais atue (não ocorrendo a excisão).

• Existem ocasiões em que o dano no DNA é tão extremo que não há maneira de os

mecanismos celulares de reparo corrigirem de forma precisa o erro

→ perda completa de um par de bases

# Qual base deve ser inserida no local lesado?

■ Sistema de Reparo Sujeito ao Erro

→ qualquer uma das bases é inserida no local lesado a fim de garantir a continuidade do

processo replicativo

# possível indutor mutagênico (3/4 – 75%)

◙ Ainda assim, é mais vantajoso para a célula a incorporação de uma base errada do que não

replicar mais.

Reparo sujeito ao erro

Reparação do DNA

N6-Metiladenina (GATC)

Padrão de metilação

Replicação

Divisão Celular

Metilação

Metiltransferase de

Manutenção

Reparação de Bases Malpareadas

Reparação do DNA

Reparação de Bases Malpareadas: Sistema Mut

1. MutS pb malpareado

2. Reconhece sítio do erro

3. MutL se liga a MutS

4. Deslizamento até GATC (ATP)

5. MutH Reconhece GATC

6. Cliva: GATC até o malpareamento

7. Remoção da fita clivada (SSB)

8. Síntese e ligação da nova fita

Reparação do DNA

Sistema de Reparação por Resgate

1. Dano impede a replicação

2. Cópias com lacuna no sítio lesado

3. Resgata-se a seqüência da fita normal

4. A lacuna da fita lesada é preenchida

5. A lacuna da fita normal é repolimerizada

Conclusão

Mutação: Alteração do código genético

Efeito benéfico x Efeito maléfico

Mutações cromossômicas numéricas/estruturais

Mutações gênicas (Nível molecular)

Mecanismos de reparação de erros

Sistemas enzimáticos complexos que removem vários tipos de erros

Manutenção da integridade do DNA