Bioinformática
Conceitos Fundamentais de Biologia Molecular
Paulo Henrique Ribeiro Gabriel
[email protected]
Faculdade de Computação
Universidade Federal de Uberlândia
24 de agosto de 2015
Paulo H. R. Gabriel (FACOM/UFU)
Bioinformática
24 de agosto de 2015
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Conteúdo
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Bioinformática
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Seres Vivos
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Proteínas
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Ácidos Nucleicos
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Genética Molecular
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Motivação
Crescente aumento no volume de dados biológicos
GenBank: Banco de dados de sequências biológicas
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/
1.91 1 bases
1.8 × 108 sequências
UniProt: Banco de dados de proteínas
http://www.uniprot.org/
Mais de 50 milhões de moléculas proteicas
Apenas 500 mil completamente analisadas
Atualmente, a PubMed — base de dados de artigos biomédicos —
possui mais de 25 milhões de artigos indexados
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed
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Crescimento do GenBank
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O que é Bioinformática
Possível Definição
Bioinformática é uma área interdisciplinar que lida com o estudo dos
métodos para armazenar, recuperar e analisar informação biológica, como
ácidos nucleicos, sequências proteicas, estrutura, função e interações
genéticas e entre proteínas.
Objetivos
O principal objetivo da Bioinformática é a compreensão dos processos
biológicos utilizando métodos computacionais sobre sequências. biológicas
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Seres Vivos
O que diferencia um ser vivo de algo inanimado?
De um modo geral, seres vivos interagem ativamente com o ambiente
Essa interação se dá devido a um complexo conjunto de reações
químicas
Nunca cessam
Os produtos (saída) de uma reação podem ser reagentes (entrada) de
outras
Há uma constante troca de matéria com o ambiente
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Seres Vivos
Tantos seres vivos complexos (plantas, animais) quanto os mais
simples (bactérias, vírus) têm um conjunto similar de moléculas
químicas
As principais moléculas são as proteínas e os ácidos nucleicos
A Bilogia Molecular se dedica, basicamente, a compreender estruturas
e funções dessas moléculas
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Proteínas
Definição:
Proteínas são grandes biomoléculas (ou macromoléculas) compostas por
uma ou mais cadeias de resíduos de aminoácidos.
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Funções Proteicas
Proteínas realizam uma grande variedade de funções nos organismos vivos,
incluindo:
Catálise de reações metabólicas
Replicação de DNA
Resposta a estímulos
Transporte de moléculas
Entre outras. . .
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Aminoácidos
Aminoácidos são moléculas orgânicas compostas por moléculas de
carbono, oxigênio, hidrogênio e nitrogênio
Cada aminoácido possui um átomo central de carbono, chamado
carbono-α (Cα )
Esse átomo de carbono se liga a:
Um grupo amino (NH2 )
Um grupo carboxila (COOH)
Um átomo de hidrogênio (H)
Um grupo R (radical ou cadeia lateral) que especifica o tipo do
aminoácido
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Estrutura de um Aminoácido
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Exemplos de Aminoácidos
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Aminoácidos
Aminoácido
Alanina
Cisteína
Ácido Aspártico
Ácido Glutâmico
Fenilalanina
Glicina
Histidina
Isoleucina
Lisina
Leucina
Metionina
Asparagina
Prolina
Glutamina
Arginina
Serina
Treonina
Valina
Triptofano
Tirosina
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Abreviação
Ala
Cys
Asp
Glu
Phe
Gly
His
Ile
Lys
Leu
Met
Asn
Pro
Gln
Arg
Ser
Thr
Val
Trp
Tyr
Bioinformática
Símbolo
A
C
D
E
F
G
H
I
K
L
M
N
P
Q
R
S
T
V
W
Y
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Aminoácidos
A sequência de aminoácidos forma um encadeamento chamado cadeia
principal
Corresponde a uma ligação de carbono com nitrogênio
A ligação N − Cα − C é chamada ligação peptídica
Ao final dessa ligação, ocorre a eliminação de uma molécula de água
H2 O
Por essa razão, dizemos que as proteínas são formadas por resíduos de
aminoácidos, uma vez que a estrutura desses foi alterada
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Ligação Peptídica
Amino acid (1)
N-terminus
Amino acid (2)
C-terminus
Peptide bond
Water
Dipeptide
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Estruturas de Proteínas
As proteínas podem se dobrar em uma estrutura tridimensional única
A forma em que uma proteína se dobra é conhecida como estrutura
nativa (ou conformação nativa)
Existem 4 níveis de dobramento
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Estruturas de Proteínas
Estrutura primária: consiste na sequência de aminoácidos, sem
dobramento (planar)
Estrutura secundária: consiste em um dobramento “local”, em uma
estrutura regular
Os motivos mais comuns de estrutura secundária são a
α-hélice, a folha-β pregueada e a volta
Estrutura terciária: consiste em um dobramento “global”, ligando
estruturas secundárias entre si
Aceita-se que a estrutura terciária é única para cada
proteína e é diretamente responsável pela sua função
Estrutura quaternária: formada, usualmente, por aglomerados de
proteínas
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Dobramento Proteico
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Exemplo de Proteína
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Síntese de Proteínas
Proteínas são responsáveis pela manutenção da vida
Essas moléculas são produzidas por uma estrutura celular chamada
ribossomo
Nos ribossomos, os aminoácidos são combinados entre si, um por um
A maneira como esses aminoácidos se ligam é determinada pelos
ácidos nucleicos
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Ácidos Nucleicos
Definição
Ácidos nucleicos são macromoléculas compostas por nucleotídeos.
Correspondem às moléculas de ácido desoxirribonucleico (DNA) e de ácido
ribonucleico (RNA)
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Ácidos Nucleicos
Cytosine
Cytosine
Nucleobases
Guanine
Guanine
Base pair
Adenine
Adenine
Uracil
Thymine
helix of
sugar-phosphates
Nucleobases
of RNA
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Nucleobases
of DNA
RNA
DNA
Ribonucleic acid
Deoxyribonucleic acid
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Ácidos Nucleicos
Ácidos nucleicos são responsáveis por codificar, transmitir e expressar
informações genéticas
Tais informações são necessárias para codificar proteínas
Em outras palavras, ácidos nucleicos carregam instruções que
codificam moléculas biológicas
Diversas pesquisas têm sido desenvolvidas de modo a determinar as
sequências de nucleotídeos de DNA e RNA
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DNA
O DNA possui como função a codificação de informações genéticas
É composto por duas sequências de moléculas
Cada molécula é uma bases nitrogenadas ou nucleotídeo
Cada sequência corresponde a uma fita de DNA
Existem 4 bases nitrogenadas:
1
2
3
4
Adenina (A)
Citosina (C)
Guanina (G)
Timina (T)
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DNA
As duas fitas de DNA se ligam de modo a formar uma dupla hélice
Assim, as bases nitrogenadas se ligam em pares
A↔T
C↔G
Seres humanos possuem mais de 3 bilhões de pares de base
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RNA
Diferente do DNA, o RNA é composto por uma única fita
Possui uracila (U) em sua composição, em vez de timina
Diferente do DNA, o RNA possui diferentes funções nas células:
Transmissão de informação
Decodificação de informação
Transporte de aminoácidos
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Cromossomos e Genoma
Cada célula viva possui um conjunto de moléculas de DNA
Tais moléculas estão espiraladas, formando os cromossomos
O conjunto de todos os cromossomos de uma célula é chamado
genoma
Cada espécie possui um número característico de cromossomos em seu
genoma:
Escherichia coli: 1 cromossomo; 4.6 milhões de pares de bases
Drosophila melanogaster : 8 cromossomos; 139.5 milhões de pares de
bases
Homo sapiens: 46 cromossomos; 3234.83 milhões de pares de bases
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Cromossomo
Cell
DNA
Nucleus Chromosome
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Cromossomo
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Genoma Humano
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Genoma Humano
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Genes
Em geral (mas não sempre) informações sobre codificação de uma
proteínas são “armazenadas” em um fragmento contínuo do DNA
Cada proteína corresponde a um, e somente um, fragmento de DNA
Cada fragmento é chamado gene
Observação:
Na verdade, é o RNA o responsável pela síntese proteica. . . Assim,
podemos dizer que cada gene contém informações necessárias para
construir uma molécula de RNA específica para cada proteína.
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Código Genético
Para construir uma proteína,
devemos ligar cada um de seus
aminoácidos
Para isso, o DNA utiliza triplas
de nucleotídeos
Cada tripla especifica um
aminoácido
Cada tripla é chamada códon
A relação de cada códon e cada
aminoácido que um organismo
especifica é chamado código
genético
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Código Genético
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Código Genético
Observações:
Existem 64 possíveis códons, porém apenas 20 aminoácidos
Isso ocorre pois existe redundância no código genético
Códigos de STOP servem para delimitar o fim de um gene
O códon AUG além de codificar a metionina, também é responsável por
definir o início de um gene
Estudos recentes mapearam dois novos aminoácidos: selenocisteína
(Sec ou U) e pyrrolysine (Pyl ou O)
Novos estudos têm sido desenvolvidos de modo a mapear corretamente
tais aminoácidos no código genético
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Síntese de Proteínas
Síntese de proteínas é o processo segundo o qual o código armazenado
por uma molécula de DNA é traduzido em proteínas
Ocorre, basicamente, em duas etapas:
1
2
Transcrição
Tradução
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Transcrição
Na transcrição, uma molécula de DNA dá origem a uma molécula de
RNA
As duas fitas de DNA são separadas por meio de uma enzima
chamada helicase
Em seguida, outra enzima — RNA polimerase — lê uma das fitas e
cria uma molécula de RNA, utilizando a seguinte correspondência:
A
C
G
T
→
→
→
→
U
G
C
A
Essa molécula de RNA é chamada de RNA mensageiro (mRNA)
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Tradução
Após a transcrição, o mRNA migra para o citoplasma (caso a célula
tenha núcleo)
Em seguida, o mRNA é liga a um ribossomo e é utilizado como um
“template” para construção de uma sequência de aminoácidos
Ribossomos são organelas compostas por proteínas e um outro tipo de
RNA, chamado RNA ribossômico (rRNA)
O RNA transportador (tRNA) — presente no citoplasma — liga-se a
um aminoácido (de acordo com o código genético) e o transporta até
o ribossomo
Finalmente, dentro do ribossomo, os aminoácidos são ligados entre si,
seguindo a sequência especificada pelo código genético
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Síntese de Proteínas
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Síntese de Proteínas
Assista ao seguinte vídeo:
http://youtu.be/2zAGAmTkZNY
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Em Resumo
GTGCATCTGACTCCTGAGGAGAAG
CACGTAGACTGAGGACTCCTCTTC
DNA
(transcription)
GUGCAUCUGACUCCUGAGGAGAAG
RNA
(translation)
V
H
L
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T
P
E
E
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K
protein
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Dogma Central
Todo esse processo (replicação
de DNA, produção de RNA,
síntese de proteínas) é conhecido
como dogma central da biologia
molecular
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Dogma Central
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Síntese de Proteínas
Observação
Em organismos eucariontes, determinadas sequências de DNA são
transcritas no mRNA mas, em seguida, são removidas
Essas sequências são denominadas íntrons e fazem parte do chamado
DNA não-codificante
As sequências que são mantidas no mRNA são chamadas de éxons
pre-mRNA
5′ UTR
Exon
Intron
Exon
Intron
Exon
3′ UTR
mRNA
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Leitura Recomendada
Setubal & Meidanis. Introduction to Computational Molecular
Biology, Capítulos 1 e 2, 1997.
Hunter. Molecular Biology for Computer Scientists. Link no site.
Hunter. Life and Its Molecules: A Brief Introduction. Link no site.
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