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Introdução à Biologia Molecular
QBQ102 2018s1
Prof. João Carlos Setubal
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Tipos de aulas
• Aulas expositivas nesta sala• Aulas de laboratório no LBBM
– com monitor Savio Ferreira
• Aula de bioinformática na sala multimidia
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Salas
• LBBM é a primeira sala à direita do bloco 7 superior
• Sala multimidia é a primeira sala à esquerda do bloco 1 superior, de quementra pela marquise
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Site desta parte da disciplina
http://www.iq.usp.br/setubal/qbq102/2018
Tudo que é preciso saber para a P3 está no material disponibilizado neste site
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Formato da minha parte da disciplina
• Aulas expositivas de 2h com intervalo de 15 min Após a aula, estarei à disposição para responder dúvidas
• É bom fazer perguntas em aula– durante a prova não responderei perguntas
• Para falar comigo fora da aula:– marcar hora, mandando email para [email protected]
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O que vou cobrar em prova?
• Consultar lista de questões no site• São questões genéricas; na prova haverá questões mais
específicas• Exemplos
– Genérica: O que é transcrição?– Específica: o que faz a principal enzima no processo de
transcrição?
• A ideia é que vocês aprendam os conceitos e osprocessos; sem decoreba!
• Conteúdo de aulas práticas cai na prova!
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Toda aula prática tem relatório para entregar
• 3 relatórios• aulas no LBBM
– 1 semana de prazo
• aula na sala MM– entregar no final da aula
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fórmula da nota da disciplina
• nota = (p1 + p2 + p3 + extra)/4• onde extra tem duas metades• metade Glaucia: 5 pontos• metade Setubal: 5 pontos
– nota combinada dos relatórios das 3 aulas práticas
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Cronograma desta parteDia local conteúdo25/5 LBBM Aula prática: lab 1
5 de junho s2 Noções gerais de biomol; DNA
8 s2 Replicação de DNA
12 s2 Sequenciamento de DNA e PCR
15 LBBM Aula prática : lab 2
19 s2 Genes e proteínas; código genético
22 s2 Transcrição e Tradução
26 s2 expressão gênica; bioinformática
29 MM Aula prática de bioinformática
3 de julho P3
6/7 Substitutiva
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Questionário Inicial de Conhecimentos
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O que é biologia molecular?
• Estudo da vida ao nível das moléculas– DNA– RNA– Proteínas
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Por que aprenderbiologia molecular?
• É a base comum de todos os seres vivos do planeta
http://magazine.ufl.edu/2011/02/web-of-life/
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• Biologia molecular é um assuntoimportante numa formação abrangente
• DNA, genes, genomas, …
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Identificação por DNA
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Esclarecimento de um crime por identificação de DNA
?
DNA da cena do crime DNA do suspeito
E se não há suspeito?
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O caso do assassino de Sacramento
• Um desconhecido matou cerca de 12 pessoas nas décadas de 70 e 80 na regiãode Sacramento (California)
• Não havia nenhuma pista sobre o criminoso
• mas seu DNA foi coletado
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bisavô
avô
pai
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?
bisavô
avô
pai
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operações
• coletar amostra contendo DNA de dono desconhecido• comparar esse DNA com DNAs de um banco de
genomas– resultado: hits
• descobrir ancestral comum mais próximo (UAC) dos hits [genealogia]
• descobrir descendentes do UAC [genealogia]• refinar a lista com base em metadados [“cadastros”]
– resultado: alguns poucos candidatos• pegar amostra “pública” do DNA dos candidatos• comparar com amostra original
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O mundo das moléculas
• Qual é a escala?• Quais são as forças dominantes?• Qual é a consistência dos objetos?• Como se dá o movimento dos objetos?• Quantos desses objetos existem?
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Noções da escala do mundomolecular
• Que tamanho tem as moléculas?
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Vista lateral do maciço do Pico do Marins -- Foto: Jurandir Lima/ Trilhas &Trilhas
Uma montanha é ~1000 vezesmaior do que uma pessoa
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A Terra é ~1000 vezesmaior do que uma montanha
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Portanto uma pessoa é ~1 milhão de vezesmenor que a Terra
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Células e moléculas
• Uma célula é ~1000 vezes menor do queuma pessoa
• Uma molécula é ~1000 vezes menor do queuma célula
• Portanto…Nós estamos para a Terra assim como…… as moléculas estão para nós
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As forças que operam numaescala molecular são diferentesdas que operam na nossa escala
• Nossa escala– Gravidade, atrito
• Escala molecular– Atração e repulsão entre átomos
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“Consistência” das moléculas
• Podemos tratar as moléculas como se fossem objetos sólidos, tais como blocos e esferas sólidos
• Propriedade importante:– Moléculas podem se encaixar umas nas outras
como chaves em fechaduras
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Movimento molecular
• É predominantemente aleatório (sujeito àsforças já mencionadas)
• Não há “controle central” e muito menos“vontade própria”
• As moléculas dentro de uma célula estãocontinuamente colidindo umas nas outras
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Apesar de aleatório, o movimento é rápido (frações de segundo)
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Quantas moléculas existem?
• O número é variável conforme a molécula e conforme a situação
• Em geral é impossível saber exatamentequantas
• Mas o que importa é que esse número estána escala de milhões, bilhões ou trilhões(dependendo da situação)
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Estimativa recente
• numa célula de levedura num dado instante existem aproximadamente– 42 milhões de proteínas
Ho, Baryshnikova, Brown. Cell Systems, 2018
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Para ensinar biologia molecular…
• É preciso representar moléculas• Vou usar diferentes representações ao
longo das aulas• Um exemplo
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Imagens de David Goodsell
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Imagens de David Goodsell
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http://seedmagazine.com/slideshow/luke_jerram/
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Como surgiu a vida na terra?
• Qual foi o processo que levou moléculasinorgânicas para moléculas orgânicas?
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Fase 1
• elementos químicos reagem entre si e produzem os componentes das moléculasorgânicas– P.ex: CHN + H2S + H2O + luz UV componentes
de RNA, proteínas, lipídeos– CHN: cianeto de hidrogênio
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Fases 2 e 3
• Fase 2: vida com base em RNA apenas– Capaz de se auto-replicar e com atividade
catalítica
• Fase 3: vida com base em DNA, RNA, e proteínas
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1 →? 2 →? 3
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http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=are-there-missing-pieces
DNA
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O que é DNA?
• É a molécula onde está a informação genética– A “essência da hereditariedade”
• Ácido desoxiribonucleico• Onde se encontra?
– Dentro do núcleo de cada célula
• Estrutura de fita dupla– Em espiral (ou hélice)
• É uma macromolécula
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Analogias para o DNA
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DNA como metáfora
• Hoje em dia tornou-se metáfora para essência de alguma coisa– Às vezes essa “coisa” nem sequer é um ser vivo
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DNA tem uma “espinha dorsal” que é um açúcar(desoxiribose) + um grupo fostato (PO4)
sempre o mesmo!
O que varia ao longo da cadeia são as bases ligadas às moléculas de açúcar
Componentes do DNA
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……T A C T G C
A analogia do colar seria melhor se as pérolas viessem em 4 cores
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Exemplo de uma molécula que não varia
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Hélice dupla do DNA
52
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Ligações (Pontes) de Hidrogênio entre pares de bases de cadeias opostasInterações hidrofóbicas e de van der Waals entre bases adjacentes (na mesma cadeia)
DNA fita dupla: cadeias antiparalelas
T AT
C G
Ligações covalentes
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DNA fita dupla: cadeias antiparalelas
Adenina
Timina
Guanina
Citosina
Ligações (Pontes) de Hidrogênio entre pares de bases
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Desoxirribonucleotídeo
Fosfato
DNA
Desoxir-ribose
Ligação glicosídica β
Projeção de Haworth
Ligação com o nucleotídeo anterior
Continua para o próximo grupofosfato
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Existe também RNA
• Ácido ribonucleico• Desempenha variadas funções na célula
– Constituinte do ribossomo– Moléculas de mRNA (mensageiro)– Moléculas de tRNA (transportador)– Pequenos RNAs com funções regulatórias
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Ribonucleotídeo
Fosfato
Ribose
RNA
Um oxigênio a mais
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Bases ou (ribo)nucleotídeos
• Adenina• Guanina
• Citosina• Timina (Uracil em RNA) pirimidinas
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Purinas
Adenina Guanina
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Pirimidinas
Citosina Timina(DNA)
Uracila(RNA)
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DNA e RNA
http://cyberbridge.mcb.harvard.edu/dna_3.html
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RNA geralmente está em fita simples, ou tem apenas pequenos trechos em fita dupla
http://cyberbridge.mcb.harvard.edu/dna_3.html
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Representação de um tRNA
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https://www.123rf.com/photo_12988606_structure-of-a-transfer-rna-trna-iletrna-molecule.html
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Por que A e U não se ligam tão fortemente quanto A e T
Por que RNA se comportadiferentemente de DNA?
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Que comprimento tem umamolécula de DNA?
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34 angstrons
1 angstrom = 1 x 10-10 m
10 pb
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DNA é a substância do qual sãofeitos os cromossomos
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Então podemos perguntar que comprimentotem um cromossomo humano típico
• Um cromossomo típico tem 100 milhões de pb
• 100 milhões x 0,1 x 34 angstrons == 100 x 106 x 0,1 x 34 x 10-10 m == 3400 x 10-5 = 0,034 m = 3,4 cm
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Se 1 angstrom = 1 mm
• Um cromossomo de 100.000.000 bp teria340 km de comprimento
• Uma proteína típica teria 3 metros
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DNA tem vida longa
• Meia-vida: tempo para que metade das ligações de uma molécula se quebre– 521 anos [Allentoft, Bunce et al. 2012]
• Já foi possível extrair DNA (fragmentado) de amostras congeladas com 500 mil anos
• Por isso que foi possível sequenciar o genoma de homens de Neandertal (a partirde DNA encontrado em ossos)
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Por outro lado…
• Máximo estimado de vida de um DNA– até 1,5 milhões de anos
• Não dá para recuperar DNA de dinossauros– Extintos há 65 milhões de anos
• Parque Jurássico é impossível!
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Mas pode ser que um diarecuperemos mamutes
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questionário
• a grande maioria escreveu pouco• DNA/RNA/proteína
– componentes– estrutura– função– quase ninguém abordou estes 3 aspectos
• quase todo mundo não sabe o que é “código genético” (ou sabe sem saber)
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DNA é a substância do qual sãofeitos os cromossomos
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AGCTCGCGCTCCGCATCCATCCAGTAGGGTTCGGTGTCGACGAGCGTGCC
GTCCATATCCCAGAAGACGGCGGCCGGCATCGCGTGCGGAGTCAGTTCGG
TCACGGCTGACAAGTCTATCCCGGCGGCCCCGGGCCTATTCTTGAGGGAC
GGCGTCCTGACCGGTCGCCGGATGAAAGGACCAGAACGCCCCGTGACTGA
CGCGAACAGCATCCTCGGAGGGCGCATCCTCGTGGTGGCCTTCGAAGGGT
GGAACGACGCTGGCGAGGCCGCCAGCGGGGCCGTCAAGACGCTCAAGGAC
CAGCTGGATGTCGTCCCGGTCGCCGAGGTCGATCCCGAGCTGTACTTCGA
CTTCCAGTTCAACCGGCCGGTCGTCGCGGACGACGACGGCCGCCGGCGCC
TCATCTGGCCGTCCGCGGAGATCCTGGGCCCAGCTCGCCCCGGCGACACC
GGCGATGCGCGCCTGGACGCCACCGGCGCCAACGCGGGCAATATCTTCCT
TCTCCTCGGCACCGAGCCGTCGCGCAGCTGGCGCAGCTTCACCGCGGAGA
TCATGGATGCGGCCCTGGCCTCCGACATCGGCGCCATCGTCTTCCTCGGT
GCGATGCTGGCGGACGTACCGCACACCCGCCCCATCTCCATCTTCGCTTC
GAGCGAGAACGCGGCCGTCCGTGCGGAGCTCGGCATCGAACGCTCTTCGT
ACGAGGGGCCGGTCGGTATCCTGAGCGCGCTCGCCGAAGGGGCGGAGGAC
GTGGGCATTCCGACCATCTCCATCTGGGCGTCGGTTCCGCACTATGTCCA
CAATGCGCCCAGCCCGAAGGCGGTGCTCGCACTGATCGACAAGCTCGAAG
AGCTGGTGAATGTCACCATCCCGCGTGGCTCGCTGGTGGAGGAGGCCACG
GCCTGGGAAGCCGGGATCGACGCGCTGGCTCTGGACGACGACGAGATGGC
TACGTACATCCAGCAGCTGGAGCAGGCACGCGACACCGTGGACTCCCCTG
AGGCCAGCGGCGAGGCGATCGCCCAGGAGTTCGAGCGCTACCTCCGCCGC
CGCGACGGCCGCGCCGGCGATGACCCCCGCCGTGGCTGACGTCACCCCCT
CTCTGCGTCCGCCGTCCTCTGTTCCCCCCGCTCGGCCTCCCCTGAGGCCG
AGGAGTCGCGCCCACATGCCGGAAACTCCTCCTTTCCTGACTTTCTGGAG
Representação em cadeia de caracteres de uma sequência de DNA
79
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Para representar DNA como cadeia, precisamos de uma convenção
• Onde começa?• Qual das fitas?
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Convenção
• Conteúdo de uma das fitas do DNA deve serrepresentado como uma cadeia de letras para serlida da esquerda para a direita (5´ → 3´)
• Qual das fitas?• Não importa! (em geral)• Dada uma das fitas, é possível saber a outra• Complementar e inverter
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Complemento reverso
• ATGGTCTC• Qual é a outra fita?• Complementar
– TACCAGAG
• Inverter– GAGACCAT
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ATGGTCTCTACCAGAG
5´ 3´
3´ 5´
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Exercício
• Escreva uma cadeia de DNA com pelomenos 6 bases, usando pelo menos 1 vezcada base, tal que o complemento reversodela é ela mesma
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Palíndromos
Socorram-me Subi no ônibus em Marrocos
Rir o breve verbo rir
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• Palíndromos “biológicos” ocorrem emgenomas
• Eles tem função biológica• O exercício pede que você invente um
palíndromo biológico