Aula 01 Introducao a Biologia Molecular

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BIOLOGIA MOLECULAR
Prof. Dr. José Luis da C. SilvaProf. Dr. José Luis da C. Silva
 
 A Biologia Molecular é o estudo da Biologia em nível molecular, com 
especial foco no estudo da estrutura e função do material genético e 
seus produtos de expressão, as proteínas. Mais concretamente, a 
Biologia Molecular investiga as interações entre os diversos sistemas 
celulares, incluindo a relação entre DNA, RNA e síntese protéica.
 Relação com outras ciências biológicas de nível molecular.
BIOLOGIA MOLECULAR
 
Programa (Ementa)
Visão histórica do gene – 11/06
Estrutura e função do DNA e RNA – 11/06
Replicação, transcrição e tradução – 11/06
Regulação da Expressão gênica – 12/06
Tecnologia do DNA recombinante – 12/06
Genômica e Bioinformática – 09/07
PCR e Marcadores moleculares – 09/07
Aplicações da Biologia molecular – 10/07 (Seminários)
Eletroforese em gel – 10/07 (prática)
 
Evolução do conceito de geneEvolução do conceito de gene
“O conceito de gene não é estático, ele se desenvolveu através de 
várias fases, desde que Wilhelm Johansen criou o termo em 1909, e 
continua evoluindo”
 1866 – Mendel definiu como “caráter ou fator unitário” que controlava 
uma característica fenotípica, tal como a cor das flor em ervilhas.
 1900 – Garrod definiu como “um gene mutante-um bloqueio metabólico”
 1939 – Beadle e Tatum definiram como “um gene – uma enzima”
 1960 – Yanofsky e Brenner redefiniram “um gene – um polipeptídeo”
 Refinando o conceito:
“ O gene é uma unidade de informação genética que controla a síntese 
de um polipeptídeo ou uma molécula de RNA estrutural”
 
Do gene ao efeito no organismo
 
Estrutura e função dos ácidos 
nucléicos
 
Nucleotídeos
Ribonucleotídeo
Estrutura dos ácidos nucléicos
 
Estrutura dos ácidos nucléicos
Bases Nitrogenadas
 
Estrutura dos ácidos nucléicos
Polímero de nucleotídeos
Estrutura 1ária covalente
Fosfato 
5’
3’ OH
 
Estrutura dos ácidos nucléicos
 
As cadeias polinucleotídicas adotam 
estruturas em Hélice
 
Dupla hélice do DNA – Watson e Crick (1953)
Estrutura dos ácidos nucléicos
DNA B é a forma mais estável 
em condições fisiológicas
 
 
Formas de DNA
Estrutura dos ácidos nucléicos
Formas A e Z são encontradas 
em cristais de DNA. A forma A 
é favorecida em soluções mais 
concentradas.
A forma Z pode estar 
associada com a regulação da 
expressão gênica e 
recombinação in vivo.
 
Dogma central da Biologia molecular
 
A replicação é semiconservativa
Processo semiconservativo:
Durante a replicação, as duas 
fitas do DNA parenteral são 
copiados, originando moléculas 
filhas com somente uma das fitas 
novas sintetizadas. (Meselson e 
Stahl, 1958)
 
Replicação do DNA
O mecanismo de 
replicação está 
baseado no 
pareamento das 
bases da dupla 
hélice do DNA.
A estrutura do 
DNA contém a 
informação 
necessária para 
perpetuar sua 
sequência de 
bases
 
Genoma procariótico
 
O genoma bacteriano circular constitue um único replicon
Um única origem de replicação 
em E.coli (OriC, 245 pb)
 
DNA-POLIMERASES 
DNA-polimerase é a enzima que faz a síntese de uma nova fita de DNA.
Possui a capacidade de adicionar nucleotídeos na extremidade 3’OH de 
uma região pareada do DNA 5’ → 3’.
 
Movimento da forquilha de 
replicação:
A partir da origem, a 
replicação prossegue ao 
longo da fita de DNA, em 
uma ou ambas as direções, 
seqüencialmente até o 
termino.
Direção da replicação
A adição dos nucleotídeos 
para o crescimento da cadeia 
é sempre no sentido 5’ → 3’.
 
Fita contínua (líder)
Fita descontínua
Forquilha de replicação
 
DNA polimerases de E. coli
 
PROTEÍNAS NA FORQUILHA DE REPLICAÇÃO 
DA E. coli
Animação replicação
 
 
Transcrição 
A transcrição é realizada por um sistema enzimático que 
converte a informação genética de um segmento de DNA 
(gene) em uma fita de RNA complementar à fita molde.
 
Fita molde (anti-senso) e codificadora (senso)
 
A transcrição de procariotos e de eucariotos possui três eventos 
principais:
                                        
Iniciação - A RNA polimerase se liga a dupla fita do DNA na região 
denominada promotor. A iniciação é um passo muito importante na expressão 
gênica!!! 
Elongamento - adição covalente de nucleotídeos a extremidade 3' da cadeia 
polinucleotídica crescente; isto envolve o desenvolvimento transitório de um 
curto trecho de DNA fita simples. 
Término - Reconhecimento da sequência de término e liberação da RNA 
polimerase. Embora a transcrição seja realizada pela RNA polimerase, 
outras enzimas são necessárias para produzir o transcrito, além de outras 
proteínas. Estes fatores ou se associam diretamente com a RNA polimerase 
ou auxiliam na formação do aparato transcricional. O termo utilizado para 
descrever estas proteínas é fatores de Transcrição.
 
Iniciação: Reconhecimento dos promotores
Reconhecimento dos promotores pela subunidade σ70 da RNA polimerase 
em E. coli. Em condições fisiológicas a RNA pol está provavelmente ligada 
ao DNA, mas o reconhecimento depende da subunidade sigma.
Extremidade 5’ do gene (Montante)
ATG
 
Sequências consenso
Regiões -35 e -10 (TATA box ou Pribnow box)
Essas sequências são reconhecidas pela subunidade sigma70. Outros 
promotores apresentam alguma variação nas sequências consenso.
Após a ligação ao promotor e início da síntese, a subunidade sigma é 
liberada e funciona como um catalisador para outra RNAP ligada à um 
outro promotor ou ao mesmo promotor.
 
O reconhecimento do promotor depende de seqüências consensuais.
Um promotor típico possui três componentes, sendo formado pelas 
seqüências consensuais em –10 e –35 e pelo sítio de início da transcrição. 
A comparação com mais de 100 genes de E. coli, chegou-se as seguintes conclusões: 
1) O primeiro nucleotídeo a ser transcrito (+1) é geralmente uma purina (A ou G).
2) Duas seqüências são altamente conservada nos genes comparados: uma 
localizada na região –10, que tem como consenso a seqüência TATAAT (TATA 
box ou Pribnow box), e outra localizada na região –35, que tem como consenso a 
seqüência TTGACA, 
3) Que as regiões –10 e –35 são separados por 17±1 nucleotídeos (equivale a duas 
voltas da hélice).
 
Os fatores sigma de E. coli reconhecem promotores 
com diferentes seqüências consensuais 
 
Complexo de Iniciação
Complexo fechado
Complexo aberto e 
iniciação
Liberação do 
sigma
 
Complexo aberto – bolha de transcrição
 
Fase: Alongamento
Após o desligamento da subunidade sigma ocorre uma 
alteração conformacional na RNAP tornando-a mais esférica 
e ativa durante o processo de alongamento.
O processo não é contínuo em algumas regiões, 
principalmente porque ocorre tradução simultânea do mRNA 
em bactérias. Ocorrem paradas rápidas e retomadas da 
transcrição.
A processividade é alta e a transcrição tem um índice de 
erro de 10-5.
 
Ação da toposiomerases no relaxamento dos 
supercoil positivo
 
Fase: Término da transcrição 
O RNA sintetizado participa ativamente do término de sua 
síntese, formando estruturas secundárias ou ligando-se a 
outros fatores.
Em E. coli: 
 Terminação dependente de rho (ρ)
 Terminação independente de rho (ρ)
 
Terminação independente de rho (ρ)
Este tipo de terminação é responsável pelo término da 
transcrição de 90% dos genes bacterianos.
Uma sequência na região 3’ do gene, sinaliza o final da 
síntese do RNA.
É uma sequência repetida de As na fita molde (Us no RNA) 
queocasiona uma longa pausa no alongamento da cadeia.
Nessa pausa ocorre o pareamento A:U entre a fita molde e 
o RNA desestabilizando o híbrido RNA/DNA. Este processo 
é auxiliado por uma proteína denominada NusA.
15-20 nucleotídeos antes do término rico em As é formado 
por sequências autocomplematares que formarão grampo 
de RNA.
 
 
Terminação dependente de rho (ρ)
Não existem sequências ricas em As 
específicas, mas podem haver sequências 
autocomplementares.
A proteína Rho migra até encontrar a RNA pol 
parada e sua atividade helicase DNA/RNA 
dependente de ATP auxilia no desligamento do 
RNA sintetizado.
 
Transcrição em Eucariotos
 RNA - POLIMERASES
 RNA - Polimerase I: rRNA
 RNA - Polimerase II: mRNA
 RNA - Polimerase III: tRNA e outros RNAs nucleares 
pequenos
 
 
Um gene tipo transcrito pela RNA-polimerase II possui um promotor que se 
estende a montante a partir do sítio onde a transcrição é iniciada. O promotor 
contém vários elemento de seqüências curtos (<10pb), aos quais se ligam os 
fatores de transcrição, espalhados por >200pb. Um reforçador (enhancer),
contendo elementos mais compactamente organizados, ao qual também se ligam 
fatores de transcrição, freqüentemente são alvos para a regulação tecido-
específica ou temporal.
 
Etapas são similares 
na transcrição, 
contudo o processo 
é muito mais 
complexo e 
regulado
Animação da 
transcrição
 
Síntese de proteínas
 
Código Genético 
 
 
 
 
 
 
 
Tradução - poliribossomos
Animação da 
tradução
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