Introdução à Biologia Molecular

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INTRODUÇÃO À 
BIOLOGIA MOLECULAR
Prof. Dr. Anderson Garcia
Roteiro da aula
1. Eventos históricos sobre a descoberta dos ácidos nucleicos
2. Eventos marcantes para o surgimento da Biologia molecular
3. Definição de Biologia molecular
4. Aplicações na área da saúde, alimentos e agroindústria.
1. Eventos históricos sobre a descoberta dos ácidos nucleicos
• Apresentou seu trabalho à Sociedade de 
História Natural de Brünn, no qual 
enunciava as suas leis de hereditariedade, 
deduzidas das experiências com as 
ervilhas.
8 de março de 1865 - Gregor Mendel 
Início das investigações genéticas
Um fator hereditário chamado gene é 
necessário para produzir a cor das 
ervilhas
Cada planta tem um par 
deste tipo de gene
O gene existe em duas 
formas chamados alelos
Johann Friedrich Miescher (1844- 1895)
1. Eventos históricos sobre a descoberta dos ácidos nucleicos
1869 - Johann Friedrich Miescher (Bioquímico) 
Analisou os glóbulos 
brancos presentes
• No núcleo havia um material de natureza ácida;
• Rico em fósforo e nitrogênio
• Desprovido de enxofre
• Resistente à ação da pepsina (enzima 
proteolítica) Chamou este material de 
nucleína
1. Eventos históricos sobre a descoberta dos ácidos nucleicos
1889 - Richard Altmann
Nucleína contém bases nitrogenadas
1880 - Albrecht Kossel (Bioquímico Alemão)
Extraíu a nucleína com alto grau de pureza, comprovou sua natureza 
ácida e lhe deu o nome de 
ácido nucleico
Richard Altmann (12 March 1852 – 8 December 1900) 
Ludwig Karl Martin Leonhard Albrecht Kossel
16 de setembro de 1853 - 5 de julho de 1927
1. Eventos históricos sobre a descoberta dos ácidos nucleicos
Qual a função dos ácidos 
nucleicos?
A informação genética 
está nos ácidos nucleicos 
ou proteínas?
1. Eventos históricos sobre a descoberta dos ácidos nucleicos
1928 – o experimento de Fred Griffith (médico sanitarista)
Bactérias não virulentas
Bactérias virulentas mortas
Ratos desenvolviam 
pneumonia e morriam
Conclusão: Há alguma coisa no 
meio que está fazendo com que 
as bactérias não virulentas se 
tornem virulentas
Mas o que ?
• Em 1940 - Oswald T. Avery, Colin MacLeod e Maclyn McCarty
1. Eventos históricos sobre a descoberta dos ácidos nucleicos
O material 
genético é o DNA
Bactérias podem incorporar 
fragmentos de DNA exógeno 
em um meio
Transformação
Bactérias não virulentas 
incorporavam o DNA da 
virulenta, tornando-se assim 
virulentas
1. Eventos históricos sobre a descoberta dos ácidos nucleicos
George W. Beadle e Edward L. Tatum, trabalhando com o fungo Neurospora crassa,
observaram que após irradiação com raios-X, ocasionalmente eles isolavam esporos que
em cultura não cresciam tão bem quanto os demais. Nesses casos, para que o fungo
mutante crescesse, bastava enriquecer o meio de cultura com uma vitamina ou um
aminoácido. Com esses resultados, Beadle e Tatum concluíram que os esporos mutantes
deveriam possuir enzimas deficientes que não conseguiam sintetizar a vitamina ou o
aminoácido essencial para seu crescimento, e puderam então estabelecer a importante
relação: um gene: uma enzima, isto é, para cada enzima responsável pelo metabolismo
dos fungos havia necessidade de um gene. Sabendo-se que as enzimas são proteínas, essa
relação passou a ser generalizada como um gene: uma proteína (por razões que serão
discutidas mais adiante, atualmente essa afirmação precisou ser adaptada para um gene:
um polipeptídio).
Na década de 1940,
1. Eventos históricos sobre a descoberta dos ácidos nucleicos
• Em 1952, experimentos de Alfred D. Hershey e Martha Chase, que estudaram a 
infecção de células bacterianas por um vírus (bacteriófago), com DNA ou proteína 
marcados radioativamente, acabaram qualquer dúvida remanescente de que o 
DNA, e não a proteína, portava a informação genética.
1. Eventos históricos sobre a descoberta dos ácidos nucleicos
1. Eventos históricos sobre a descoberta dos ácidos nucleicos
A estrutura e composição dos ácidos nucleicos
• Erwin Chargaff e seus colegas no final dos anos de 1940 descobriram que as quatro 
bases nucleotídicas do DNA eram encontradas em proporções diferentes nos DNAs
de organismos diferentes e que as quantidades de certas bases estavam 
relacionadas. Estas descobertas os levaram a concluir que: 
1.A composição de bases do DNA, em geral, varia de uma espécie para a outra.
2. Amostras de DNA isoladas de diferentes tecidos da mesma espécie têm a mesma composição de bases.
3. A composição de bases de DNA em uma dada espécie não muda com a idade do organismo, seu estado 
nutricional ou a mudança de ambiente.
4. Em todos os DNAs celulares, independentemente da espécie, o número de resíduos da adenosina é igual 
ao número de resíduos da timidina (isto é, A = T) e o número de resíduos de guanosina é igual ao número 
de resíduos de citidina (G = C). Dessas correlações, conclui-se que a soma dos resíduos de purina é igual à 
soma dos resíduos de pirimidina; isto é, A + G = T + C.
• Rosalind Franklin e Maurice Wilkins usaram o método eficaz da difração por raios X 
para analisar fibras de DNA. Eles demonstraram, no início dos anos de 1950, que o 
DNA produz um padrão de difração por raios X característico
A partir desse padrão, deduziu-se que as moléculas de DNA são helicoidais com duas 
periodicidades ao longo de seu eixo mais longo, a primária de 3,4 Å e a secundária 
de 34 Å.
PROBLEMA: construir um modelo compatível com os dados da 
difração e de acordo com as regras de Chargaff
A estrutura em dupla dupla hélice da molécula de DNA foi resolvida em 1953 por:
1. Eventos históricos sobre a descoberta dos ácidos nucleicos
Foi então que Watson e Crick, reunindo todas estas ideias determinaram a estrutura 
tridimensional da molécula de DNA, onde: 
• Duas cadeias de DNA helicoidais estão 
enroladas em torno do mesmo eixo para 
formar uma dupla-hélice de orientação à 
direita
• Os esqueletos hidrofílicos de grupos fosfato 
e desoxirribose alternados estão no lado de 
fora da dupla-hélice, orientados para a água 
circundante.
• O anel furanosídico de cada desoxirribose 
está na conformação C-29 endo.
• As bases pirimídicas e púricas das duas fitas 
estão empilhadas dentro da dupla-hélice, 
com suas estruturas hidrofóbicas em forma 
de anel e quase planares muito perto uma 
da outra e perpendiculares ao eixo 
longitudinal.
• O pareamento perfeito das duas fitas cria um 
sulco maior e um sulco menor na superfície 
do duplex
• As duas cadeias polinucleotídicas antiparalelas da dupla hélice 
de DNA não são idênticas nem na sua sequência de bases e nem 
na sua composição.
• Elas são complementares entre si.
• A dupla-hélice de DNA, ou duplex, é mantida por duas forças, 
como descrito anteriormente: ligações de hidrogênio entre os 
pares de bases complementares e interações de empilhamento 
de bases.
• A complementaridade entre as cadeias de DNA é atribuída à 
ligação de hidrogênio entre os pares de bases.
• As interações de empilhamento de bases, as quais são muito 
inespecíficas no que diz respeito à identidade das bases 
empilhadas, determinam a maior contribuição para a 
estabilidade da dupla-hélice.
• O modelo sugere imediatamente um mecanismo para a 
transmissão da informação genética.
Francis Crick 1958 
Dogma central da biologia molecular
2. Eventos marcantes para o surgimento da Biologia molecular
Crick e colaboradores 1961
Cada aminoácido é codificado por uma trinca de nucleotídeos, porém o código 
genético é degenerado, sendo cada aminoácido podendo ser codificado por mais de 
uma trinca 
Transcirptase Reversa (1970)
Howard Temin e Satoshi Mizutani
David Baltimore
Dogma central da biologia molecular
Sequenciamento da molécula de DNA
1977 –O desenvolvimento de duas novas técnicas, uma por Alan Maxam e Walter Gilbert 
e a outra por Frederick Sanger, tornou possível o sequenciamento de moléculas grandes 
de DNA. 
A criação da PCR (Reação em cadeia da polimerase)
Técnica desenvolvida por Kary Mullis em 1983
Em 1993 ele ganhou o prêmio Nobelde Química 
pelo desenvolvimento da técnica.
Ele utilizava sucessivos banhos-maria para atingir a
temperatura desejada, e a cada etapa do processo,
adicionava novamente a DNA polimerase (uma
enzima responsável em amplificar as sequencias
desejadas).
Evolução da técnica de PCR (Reação em cadeia da polimerase)
3. Definição de Biologia molecular
BIOLOGIA MOLECULAR
A Biologia Molecular tem como campo de estudo as interações
bioquímicas celulares envolvidas na duplicação do material
genético e na síntese proteica. É uma área intimamente ligada
à genética e à bioquímica. A Biologia Molecular consiste
principalmente em estudar as interações entre os vários
sistemas da célula, partindo da relação entre o DNA, o RNA e a
síntese de proteínas, e o modo como essas interações são
reguladas.
4. Aplicações na área da saúde, alimentos e agroindústria
4.1 Na saúde e medicina 
Identificação de doenças genéticas
Diagnostico preciso onde técnicas moleculares vão detectar a 
presença e quais as mutações no Gene específico responsáveis 
pela patologia. Ex: Doenças causadas por erros inatos do 
metabolismo como Mucopolissacaridores e Fenilcetonúria, fibrose 
cística, síndrome do X frágil, dentre outras.
Diagnostico de doenças infecto contagiosas
Diagnóstico das infecções virais como HIV, Hepatite C e Hepatite 
B; doenças parasitárias como leishmaniose e toxoplasmose e 
infecções bacterianas que possuem um difícil diagnóstico 
etiológico como cervicites e uretrites após o início da utilização da 
biologia molecular como meio de diagnóstico.
Identificação de doenças 
genéticas
• Reação em cadeia da Polimerase (PCR)
• Sequenciamento de DNA
• Polimorfismo de conformação de fita simples (SSCP)
• Hibridização in situ 
• Southern blotting
• Polimorfismo de comprimento de fragmento de restrição (RFLP)
Técnicas utilizadas: 
4. Aplicações na área da saúde, alimentos e agroindústria
4.1 Na saúde e medicina 
Técnicas utilizadas: 
4. Aplicações na área da saúde, alimentos e agroindústria
4.1 Na saúde e medicina 
• Reação em cadeia da Polimerase (PCR)
Amplifica (faz múltiplas 
cópias) o gene de interesse 
e através da análise por gel 
de agarose é possível 
identificar se há mutações 
no gene. 
CYNTIA ARIVABENI DE ARAUJO CORREIA - PREVALÊNCIA DE SEIS MUTAÇÕES NO GENE CFTR EM PORTADORES DE FIBROSE CÍSTICA DA REGIÃO DE CAMPINAS -
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO - CAMPINAS - 2005
PREVALÊNCIA DE SEIS MUTAÇÕES NO GENE CFTR EM PORTADORES DE FIBROSE 
CÍSTICA DA REGIÃO DE CAMPINAS 
Para estudar o exon 21, onde está localizada a mutação N1303K, foi utilizada a enzima Bstn I. A presença dessa mutação abole o sítio de reconhecimento 
desta enzima. Portanto os indivíduos que possuem essa mutação permanecem com o fragmento da PCR (59pb). Já nos indivíduos que não possuem a 
mutação, a enzima reconhece um sítio específico e cliva o fragmento em fragmentos de 40 e 19pb (Figura.11). 
Técnicas utilizadas: 
4. Aplicações na área da saúde, alimentos e agroindústria
4.1 Na saúde e medicina 
• Polimorfismo de conformação de fita simples (SSCP)
O SSCP (Single-Strand Conformation Polymorphism) é um método de triagem de 
mutações que permite detectar alterações na mobilidade eletroforetica de fitas 
simples de ácidos nucleicos em condições não desnaturantes. 
Técnicas utilizadas: 
4. Aplicações na área da saúde, alimentos e agroindústria
4.1 Na saúde e medicina 
• Sequenciamento de DNA
Determina a sequencia de nucleotídeos de um gene ou genoma.
DETECÇÃO DE CINCO NOVAS MUTAÇÕES EM BRASILEIROS COM 
GANGLIOSIDOSE GM1
MATEUS BARBOSA VIEIRA - DETECÇÃO DE CINCO NOVAS MUTAÇÕES EM BRASILEIROS COM GANGLIOSIDOSE GM1 – DISSERTAÇÃO DE MESTRADO – UFRGS - 2006
DETECÇÃO DE CINCO NOVAS MUTAÇÕES EM BRASILEIROS COM 
GANGLIOSIDOSE GM1
MATEUS BARBOSA VIEIRA - DETECÇÃO DE CINCO NOVAS MUTAÇÕES EM BRASILEIROS COM GANGLIOSIDOSE GM1 – DISSERTAÇÃO DE MESTRADO – UFRGS - 2006
O RFLP (Restriction Fragment Lenght Polymorphysm) é um método que utiliza enzimas de restrição para 
detecção de mutações e polimorfismos genéticos. As enzimas de restrição reconhecem sítios específicos na 
seqüência do DNA que é clivada somente quando o sítio está presente, gerando fragmentos de vários tamanhos 
que são separados e analisados por eletroforese.
Técnicas utilizadas: 
4. Aplicações na área da saúde, alimentos e agroindústria
4.1 Na saúde e medicina 
• Polimorfismo de comprimento de fragmento de restrição (RFLP)
Usada para 
detectar 
mutações ou 
polimorfismos 
conhecidos
• Southern blotting
Técnicas utilizadas: 
4. Aplicações na área da saúde, alimentos e agroindústria
4.1 Na saúde e medicina 
O Southern blot é um método que serve para verificar se uma determinada sequência de DNA está ou não 
presente em uma amostra de DNA analisada. Isso é feito por meio do realce do resultado de uma 
eletroforese em gel de agarose e posteriormente hibridizada com sonda radioativa ou segmentos de DNA.
Melhores métodos para detecção 
de mutações
Diagnóstico de doenças 
infecto contagiosas
Técnicas mais utilizadas utilizadas: 
4. Aplicações na área da saúde, alimentos e agroindústria
4.1 Na saúde e medicina – Diagnóstico de doenças 
infecto-contagiosoas
• Hibridização in situ
• Reação em cadeia da Polimerase (PCR)
Detecção de HPV, Mycobacterium tuberculosis, Mycobacterium 
leprae, HIV, Hepatite C e Hepatite B; doenças parasitárias como 
leishmaniose e toxoplasmose e infecções bacterianas que possuem 
um difícil diagnóstico etiológico como cervicites e uretrites após o 
início da utilização da biologia molecular como meio de diagnóstico.
IDENTIFICAÇÃO GENÉTICA DE ESPÉCIES
PRODUÇÃO DE BIOMOLÉCULAS DE 
INTERESSE INDUSTRIAL, SAÚDE E 
ALIMENTOS 
PRODUÇÃO DE OGMS E TRANSGÊNICOS