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Como genes codificam proteínas
QBQ 102 – Aula 2 (biomol)
Prof. João Carlos Setubal
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2
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Genes e proteínas
DNA Proteína
Hugues Sicotte, NCBI
3
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Proteínas são as moléculas trabalhadoras dos organismos
• “nós somos nossas proteínas”
• Enzimas: catalizam reações químicas, essenciais para o metabolismo celular
• Funções estruturais ou mecânicas (actina e miosina em músculos)
• Sinalização celular
• Síntese de DNA
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DNA: hereditariedade Proteínas: metabolismo e estrutura
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Proteínas são macromoléculas
São cadeias de aminoácidos
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glicina alanina
Aminoácidos
Estrutura genérica de um aminoácido
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tirosina
triptofano
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Os aminoácidos se ligam entre si por ligações peptídicas
Amino
terminal
Carboxi
terminal
N
C
Carbono alfa
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Proteínas formam estruturas tridimensionais
• São complexas e variadas
– Diferentes proteínas tem diferentes estruturas
• DNA é sempre hélice dupla
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Proteínas formam diferentes estruturas
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Diferentes estruturas conferem diferentes funções
Hemoglobina: transporta oxigênio no sangue
Miosina: contração do músculo
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Proteínas podem ser visualizadas de diferentes formas
> Protein sequence
MKIVYWSGTGNTEKMAELIAKGIIESGKDVNTINVSDVNI
DELLNEDILILGCSAMGDEVLEESEFEPFIEEISTKISGK
KVALFGSYGWGDGKWMRDFEERMNGYGCVVVETPLIVQNE
PDEAEQDCIEFGKKIANI
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Hélice alfa Folha beta
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Os aminoácidos estão para as proteínas assim como os núcleotídeos estão para o DNA
• Proteínas: 20 aminoácidos
• DNA: 4 nucleotídeos
• Ambas as cadeias têm direcionalidade
• DNA: 5′ → 3 ′
• Proteína: Amino terminal (N) → Carboxi terminal (C)
• Proteínas são bem mais curtas do que DNA
• Protéina típica tem 300 aa
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Se 1 angstrom = 1 mm
• Um cromossomo de 100.000.000 bp teria 340 km de comprimento
• Uma proteína de 300 aa teria 3 metros
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Genes e proteínas
> DNA sequence
ATGTCATGAAAATCGTATACTGGTCTGGTACCGGCAACAC
TGAGAAAATGGCAGAGCTCATCGCTAAAGGTATCATCGAA
TCTGGTAAAGACGTCAACACCATCAACGTGTCTGACGTTA
ACATCGATGAACTGCTGAACGAAGATATCCTGATCCTGGG
TTGCTCTGCCATGGGCGATGAAGTTCTCGAGGAAAGCGAA
TTTGAACCGTTCATCGAAGAGATCTCTACCAAAATCTCTG
GTAAGAAGGTTGCGCTGTTCGGTTCTTACGGTTGGGGCGA
CGGTAAGTGGATGCGTGACTTCGAAGAACGTATGAACGGC
TACGGTTGCGTTGTTGTTGAGACCCCGCTGATCGTTCAGA
ACGAGCCGGACGAAGCTGAGCAGGACTGCATCGAATTTGG
TAAGAAGATCGCGAACATCTAGTAGA
> Protein sequence
MKIVYWSGTGNTEKMAELIAKGIIESGKDVNTINVSDVNI
DELLNEDILILGCSAMGDEVLEESEFEPFIEEISTKISGK
KVALFGSYGWGDGKWMRDFEERMNGYGCVVVETPLIVQNE
PDEAEQDCIEFGKKIANI
DNA Proteína
Hugues Sicotte, NCBI
19
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Como um pedaço de DNA (gene) pode gerar uma proteína?
• Informacionalmente por meio de um código (o famoso código genético)
• Mecanicamente por meio de processos celulares chamados de
– Transcrição
– Tradução
• Esta aula: o processo informacional
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Replicação
Transcrição
Tradução de mRNAs
Proteína
“Dogma Central”da Biologia Molecular
Usa Uracila
ao invés de
Timina RNA mensageiro
Ocorre no
ribosomo
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Código Genético
• Funciona como uma tabela
• Nucleotídeos → Aminoácidos
• Semelhante ao código Morse
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Código genético
• 4 bases e 20 aminoácidos
• Um código 1:1 não dá
• Um código 2:1 também não dá
– Apenas 16 possíveis pares
• Um código 3:1 dá (e sobra)
– 64 possíveis trincas
• Lembrar que é preciso um sistema de pontuação (início e fim da região codificadora)
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25
códon
Metionina Leucina Glicina
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Fluxo da Informação Genética
Polipeptídeo
Fita molde
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A tabela com o código genético
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![Page 30: Prof. João Carlos Setubal - iq.usp.br · Tradução de mRNAs Proteína “Dogma Central”da Biologia Molecular Usa Uracila ao invés de ... Fluxo da Informação Genética Polipeptídeo](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022020305/5c1557cf09d3f2340f8d2faa/html5/thumbnails/30.jpg)
Exercícios
• Que aminoácidos são codificados por TCGTCTGATATTCTA?
• E por
CGGCCCTGGCCTCCGACATCGGCGCC?
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O código genético é quase universal (o mesmo para todas as formas de vida)
• Em Mycoplasma (bactéria), UGA é Trp
• Em Candida (fungo), CUG é Ser
• …e outras pequenas variações
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O código genético é degenerado
# codons Aminoácidos # aa Total codons
6 Leu, Ser, Arg 3 18
4 Ala, Thr, Pro, Gly, Val 5 20
3 Ile, Stop 2 6
2 Phe, Tyr, His, Gln, Asn, Lys, Asp,
Glu, Cys 9 18
1 Met, Trp 2 2
Totais 20+1 64
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A degeneração ocorre principalmente por meio da terceira base
codon AA
GG Gly
CC Pro
GC Ala
CG Arg (+2)
GU Val
CU Leu (+2)
UC Ser (+2)
AC Thr
AU: 3 possibilidades correspondem a Isoleucina; a outra é Met
UA: 2 possibilidades correspondem a STOP e 2 a Tirosina
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Degeneração significa redundância
• Robustez em relação a erros
• Mutações sinônimas (ou silenciosas)
• Mutações não-sinônimas
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Mutação sinônima ou silenciosa
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Mutação não-sinônima
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Anemia falciforme
• Mutação não sinônima numa única posição de hemoglobina (amino ácido num. 7)
• GAA (glu) → GUA (val)
• GAG (glu) → GUG (val)
• Valina é hidrofóbica e Ácido glutâmico não é
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Mas não esquecer que…
• Mutações são o motor da evolução!
• Anemia falciforme é prevalente na África
• Indivíduos homozigotos e heterozigotos tem proteção contra malária!
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AGCTCGCGCTCCGCATCCATCCAGTAGGGTTCGGTGTCGACGAGCGTGCC
GTCCATATCCCAGAAGACGGCGGCCGGCATCGCGTGCGGAGTCAGTTCGG
TCACGGCTGACAAGTCTATCCCGGCGGCCCCGGGCCTATTCTTGAGGGAC
GGCGTCCTGACCGGTCGCCGGATGAAAGGACCAGAACGCCCCGTGACTGA
CGCGAACAGCATCCTCGGAGGGCGCATCCTCATGGTGGCCTTCGAAGGGT
GGAACGACGCTGGCGAGGCCGCCAGCGGGGCCGTCAAGACGCTCAAGGAC
CAGCTGGATGTCGTCCCGGTCGCCGAGGTCGATCCCGAGCTGTACTTCGA
CTTCCAGTTCAACCGGCCGGTCGTCGCGGACGACGACGGCCGCCGGCGCC
TCATCTGGCCGTCCGCGGAGATCCTGGGCCCAGCTCGCCCCGGCGACACC
GGCGATGCGCGCCTGGACGCCACCGGCGCCAACGCGGGCAATATCTTCCT
TCTCCTCGGCACCGAGCCGTCGCGCAGCTGGCGCAGCTTCACCGCGGAGA
TCATGGATGCGGCCCTGGCCTCCGACATCGGCGCCATCGTCTTCCTCGGT
GCGATGCTGGCGGACGTACCGCACACCCGCCCCATCTCCATCTTCGCTTC
GAGCGAGAACGCGGCCGTCCGTGCGGAGCTCGGCATCGAACGCTCTTCGT
ACGAGGGGCCGGTCGGTATCCTGAGCGCGCTCGCCGAAGGGGCGGAGGAC
GTGGGCATTCCGACCATCTCCATCTGGGCGTCGGTTCCGCACTATGTCCA
CAATGCGCCCAGCCCGAAGGCGGTGCTCGCACTGATCGACAAGCTCGAAG
AGCTGGTGAATGTCACCATCCCGCGTGGCTCGCTGGTGGAGGAGGCCACG
GCCTGGGAAGCCGGGATCGACGCGCTGGCTCTGGACGACGACGAGATGGC
TACGTACATCCAGCAGCTGGAGCAGGCACGCGACACCGTGGACTCCCCTG
AGGCCAGCGGCGAGGCGATCGCCCAGGAGTTCGAGCGCTACCTCCGCCGC
CGCGACGGCCGCGCCGGCGATGACCCCCGCCGTGGCTGACGTCACCCCCT
CTCTGCGTCCGCCGTCCTCTGTTCCCCCCGCTCGGCCTCCCCTGAGGCCG
AGGAGTCGCGCCCACATGCCGGAAACTCCTCCTTTCCTGACTTTCTGGAG
Um gene numa sequência
39
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Sequenciamento de DNA
• Será visto em detalhe na aula 5
• Gera imensas quantidades de sequências de DNA, armazenadas em arquivos de computadores
• Em geral são fragmentos onde a informação da fita e da localização no cromossomo foi perdida
• Para achar onde estão os genes de forma computacional, precisamos do conceito de Quadro de Leitura
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Quadros de leitura
Uma fita dupla de DNA admite
6 quadros de leitura
(3 em cada fita)
CGGCCCTGGCCTCCGACATCGGCGCC
+1
+2
+3
Na outra fita:
– 1, – 2, – 3
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Cada quadro tem sua própria tradução
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Fita de cima
Fita de baixo
stop
Coordenada dentro deste segmento
stop
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Quadro aberto de leitura
• Open reading frame (ORF)
• É um quadro de leitura
– Com número de bases múltiplo de 3
– Terminando em STOP
– Sem outros STOPs no meio
• A porção codificadora (de proteína) de um gene bacteriano é um quadro aberto de leitura iniciado por ATG (muito mais raramente por
GTG ou CTG)
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Exemplo de uma ORF bacteriana
início fim
Tracinhos verticais são stops
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Estas imagens vieram do navegador de genomas ARTEMIS
Disponível (de graça) em
https://www.sanger.ac.uk/resources/software/artemis/
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Exercício
• Dada uma sequência de DNA, achar uma ORF fazendo a tradução nos 6 quadros de leitura
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Enzimas de restrição
• São enzimas que cortam DNA em locais específicos
• Diferentes ER cortam em diferentes lugares
• O “lugar” é dado por uma sequencia específica de DNA
• EcoRI
• Corta GAATTC → G AATTC
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• ER existem somente em procariotos
• Mecanismo de defesa contra bacteriófagos (virus de bactéria)
• Conhecem-se mais de 3000 ERs diferentes
• Ferramenta para estudo e manipulação de DNA
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